基于模拟相和ALE数学建模的镁合金微电偶腐蚀机制研究

Corrosion of magnesium alloy is usually the micro-galvanic corrosion between different phases. However, the electrochemical properties of different phases which determine the nature of micro-galvanic corrosion of magnesium alloy are not clear now. The reaction mechanism between different phases and corrosion ions during micro-galvanic corrosion is not complete. Furthermore, there is difficulty in time-dependent monitoring of micro-galvanic corrosion. Therefore, it will not accurately predict the micro-galvanic corrosion progress and provide effective protection on its corrosion. In this project, the different phases in Mg-Al-RE magnesium alloy are isolated by preparation of simulated phase, and investigated on their chemical composition, surface state, electrochemical behavior and corrosion product, to clarify their corrosion thermodynamics and dynamics. Additionally, isolating different phases is an effective way to utilize the electrochemical measurements and numerical models on macroscopic galvanic corrosion. The galvanic corrosion behavior (change on interface, corrosion rate) between various phases is studied. The numerical model capturing the influence of chemical composition and distribution of different phases on galvanic corrosion with time in certain environment is presented using Arbitrary Langrangian Eulerian (ALE) mode, which makes a complement to the experimental results. This project will be great helpful in deep understanding micro-galvanic corrosion mechanism, accurately predicting micro-galvanic corrosion progress of magnesium alloy and further developing new corrosion-resistant magnesium alloy and its surface treatment.

镁合金腐蚀通常是由不同合金相引起的微电偶腐蚀。而决定其微电偶腐蚀本质的合金相电化学性质研究并不明确；在微电偶腐蚀过程中合金相与腐蚀离子的作用机制不尽完善，同时对镁合金微电偶腐蚀实时监测也存在一定的难度，未能为其微电偶腐蚀发展提供准确的预测进而建立有效的防护。本项目拟通过制备模拟相来剥离合金相，研究其化学成分、表面状态、电化学行为、腐蚀产物组成，明晰合金相的腐蚀热力学和动力学, 探明合金相和腐蚀离子的作用机制。通过剥离合金相可有效的借鉴宏观电偶腐蚀的电化学测试方法和数学建模仿真的处理过程，分析合金相间形成的腐蚀电偶对两相界面、腐蚀速率的相对变化，通过任意拉格朗日欧拉（ALE）数学建模探明特定环境下孤立合金相成分及分布对镁合金微电偶腐蚀随时间发展的影响，对腐蚀电化学实验结果佐证补充。本项目对了解镁合金微电偶腐蚀机制，预测微电偶腐蚀发展过程，发展新型耐蚀镁合金及其表面处理具有非常重要的意义。

镁合金的耐蚀性取决于不同次生相的反应活性，其腐蚀通常是由不同次生相所引起的微电偶腐蚀。近年来，稀土镁合金的发展有效改善了其耐蚀性。本项目研究以Mg-Al-RE（AE44）镁合金作为参考体系，明晰了其次生相的化学成分和结构组成，研究结果表明：AE44镁合金微观组织主要由α-Mg基体、β相和沿晶界分布、呈片状和针状的稀土化合物Al11RE3、Al2RE、Al2.12RE0.88组成。进而深入探讨了AE44 镁合金在不同介质中的宏观腐蚀行为，阐明了卤素元素Cl-和F-在不同腐蚀环境中对AE44镁合金腐蚀电化学行为和腐蚀产物的影响。揭示了Cl–浓度对腐蚀阴极反应过程的热力学影响规律；结果表明，Cl-浓度对阴极Tafel斜率影响较小，AE44镁合金在不同浓度NaCl溶液中的阴极行为是比较一致的。而Cl-影响了局部腐蚀的孕育时间，随着浓度的增高孕育时间缩短。揭示了AE44在镁电池复合电解质Mg(SO)4和Mg(NO3)2中的腐蚀电化学行为与电解质成分以及抑制剂F-的浓度直接相关。完善了稀土镁合金不同环境中的宏观腐蚀电化学机制。.采用非自耗真空熔炼设备，优化了稀土模拟相的制备工艺，获得了纯度较高的，与非孤立次生相化学成分和结构组成一致的模拟相----Mg17Al12、Al11La3和Al2La，采用开路电位、极化曲线、电化学阻抗谱测试等多种宏观电化学测试手段结合SEM、EDS、XRD等物理表征研究模拟相在氯化钠介质中的腐蚀电化学行为和表面膜成分，获得孤立次生相的腐蚀热力学倾向和腐蚀动力学参数；研究表明相对于AE44而言，Al2La的开路电位为-1.2V，是有效的阴极相，β相的开路电位介于Al2La和基体相之间。由极化曲线测试可知，Al2La在NaCl溶液中的腐蚀电流密度较AE44合金小两个数量级，腐蚀进一步抑制。本项目拓展了稀土模拟相的制备工艺，探讨了孤立次生相的腐蚀电化学行为，对于稀土镁合金的研发和表面处理具有重要的意义。