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【研究背景】

鋁合金廣泛應(yīng)用于汽車、船舶和飛機等領(lǐng)域，在減輕電動車輛重量、降低燃料消耗和對環(huán)境的影響等方面的作用日益顯著。除了具有優(yōu)異的強度重量比外，由于其表面形成的氧化物屏障，使得在暴露于腐蝕性環(huán)境時具有很高的耐腐蝕性。這些薄膜非常致密，只有幾納米厚，由于與金屬的結(jié)合非常牢固，從而抑制了進一步的腐蝕。

盡管有這種自我保護機制，鋁合金和其他金屬合金一樣，在水環(huán)境中降解會造成大量損失，除此之外，鋁合金的腐蝕既昂貴又危險。

在這方面有三個因素值得特別注意：首先，鋁合金越來越多地暴露在惡劣環(huán)境條件下，而最初的設(shè)計并沒有考慮到這些因素。其次，合金變得越來越堅固，化學(xué)成分也越來越復(fù)雜，這使得更容易受到腐蝕。第三，這一領(lǐng)域的進步對提高工業(yè)化社會的可持續(xù)性有著巨大影響，因為消除了對不需要且廢棄的部件進行替換的必要性，這是提高產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施壽命的一個關(guān)鍵方面。

因此，從單純的瞬態(tài)補救處理和表面涂層到更全面、更科學(xué)的耐腐蝕合金設(shè)計，推進腐蝕防護變得越來越重要。

【成果速覽】

鋁合金由于其良好的可回收性和95%的能量增益，在循環(huán)冶金中發(fā)揮著重要作用。其低密度和高強度的線性轉(zhuǎn)化降低了運輸中溫室氣體的排放，并且優(yōu)異的耐腐蝕性提高了產(chǎn)品的使用壽命。

鋁合金的耐用性源于與表面緊密結(jié)合的致密屏障氧化膜，防止材料的進一步降解。然而，經(jīng)過幾十年研究，單個元素反應(yīng)及其對多組分鋁合金腐蝕過程中納米級氧化膜特性的影響仍是一個難題。

在這里，世界級材料力學(xué)專家Dierk Raabe團隊，建立了腐蝕氧化膜的近原子圖像與水腐蝕中高強度Al-Zn-Mg-Cu合金的溶質(zhì)反應(yīng)性之間的直接關(guān)聯(lián)。揭示了納米晶氧化鋁的形成，并強調(diào)了氧化物與基體之間的溶質(zhì)分配和內(nèi)部界面的偏析。峰時效合金中Mg的分配含量急劇下降，說明了熱處理對合金氧化物穩(wěn)定性和腐蝕動力學(xué)的影響。通過用氘標記H同位素，結(jié)果證明氧化鋁可能在防止H脆過程中起著重要的動力學(xué)屏障作用。

本項工作加深了對進一步提高氧化鋁穩(wěn)定性的機制理解，并指導(dǎo)了潛在應(yīng)用的耐腐蝕合金的設(shè)計。

相關(guān)成果以“How solute atoms control aqueous corrosion of Al-alloys”為題刊登在《Nature Communications》上。

【數(shù)據(jù)概況】

圖1.AlZnMgCu合金在0.01M KCl中的腐蝕性能和元素溶解速率。（正文圖1）

圖2.對0.1 M KCl中浸泡3小時后的淬火態(tài)Al-2.69 Zn-2.87Mg-0.95Cu合金（原子百分比），在D2O中的單個原子分布和成分進行原子探針斷層掃描（APT）分析。（正文圖2）

圖3.對0.1M KCl中浸泡3小時后的峰時效（120°C，24小時）Al-2.69 Zn-2.87Mg-0.95Cu合金，在D2O中進行原子探針斷層掃描（APT）分析。（正文圖3）

圖4.對暴露于0.1M KCl達3小時后的峰時效Al-Zn-Mg-Cu合金進行掃描透射電子顯微鏡（STEM）分析。（正文圖4）

圖5.在25°C和1大氣壓下，Al-2.69 Zn-2.87Mg-0.95Cu合金（原子百分比）在0.1M KCl中的電位-pH圖。（正文圖5）

【結(jié)論展望】

本研究深入剖析了高強度輕質(zhì)鋁合金在水腐蝕過程中的一系列復(fù)雜機制。

研究表明，在腐蝕過程中，鎂對表面氧化鋁的形成有所貢獻，然而含鎂的氧化物保護性能相對較差，導(dǎo)致合金的一般腐蝕敏感性增加。因為含鎂氧化物的效率和穩(wěn)定性不足，可能致使KCI與內(nèi)部基質(zhì)發(fā)生連續(xù)反應(yīng)，并且在摻雜鎂的氧化鋁中，H溶解度和H間隙劑的濃度大幅增加，使其不僅更易進一步腐蝕，對氫脆的防護也顯著降低。

時效回火會對腐蝕過程中氧化物的組成產(chǎn)生影響，與固溶熱處理狀態(tài)相比，峰時效合金表面氧化物的Mg含量顯著降低，通過熱處理和調(diào)整合金成分來減少甚至消除表面氧化膜中的鎂，能夠成為提高合金耐腐蝕性的有效策略。

此外，更穩(wěn)定的溶質(zhì)Zn和Cu在氧化物下方的基質(zhì)中富集，雖能一定程度上提供屏障抑制腐蝕劑進入內(nèi)部金屬，但脫合金區(qū)域的富集層也可能形成電池機制導(dǎo)致界面加速腐蝕，且富集層和基體之間的固有電化學(xué)不穩(wěn)定性會促進局部腐蝕的動力學(xué)，大幅降低合金的整體耐腐蝕性。

總之，深入了解水腐蝕潛在機制對于提升材料的可持續(xù)性至關(guān)重要，而通過降低氧化鋁中鎂含量、促進純氧化鋁形成等措施，能夠有效控制和提高高強度輕質(zhì)鋁合金的耐水腐蝕性能，這對于開發(fā)適用于即將到來的氫經(jīng)濟的鋁基合金在運輸和基礎(chǔ)設(shè)施方面的應(yīng)用具有重要意義。

作者：晚晚