本發明涉及一種高耐蝕鎂合金，屬于金屬材料領域。
背景技術：
：材料的腐蝕在生產生活中非常普遍，往往會造成材料損耗、形貌改變、力學性能退化等，使得承力結構部件無法滿足正常使用需求。材料腐蝕普遍性、自發性、持續性、非線性、復雜性的特點，使得因腐蝕造成的材料失效往往難以準確預測，從而導致生命財產的巨大損失。如1985年，日本一架波音747飛機由于構件的應力腐蝕老化斷裂而墜毀，造成500多人遇難。材料的腐蝕也給國民經濟帶來巨大的經濟損失。隨著我國大飛機、高速列車、載人航天、深海預警與探測、臨近空間飛行器、可重復天地往返運輸系統等重大工程領域的高速發展，對高綜合性能輕量化材料的需求越來越迫切。鎂是目前最輕質的金屬結構材料，其比重約是鋁的2/3、鋼的1/4，被譽為可減重、節能、提速的“21世紀綠色工程材料”。以前，鎂合金由于強度偏低、變形能力弱、易燃、耐腐蝕性能差等缺點限制了其應用范圍，但是近年來高強度稀土鎂合金的研發取得了重大進展，其絕對強度已經能夠超過500MPa，從而大大拓展了其在重大工程領域的應用。深入認識鎂合金的腐蝕機理是開發高耐蝕鎂合金的前提和基礎。電位-pH圖（Pourbaix相圖）是熱力學上衡量腐蝕能否發生的重要判據，也是預測材料腐蝕性能、分析材料腐蝕機制的重要工具。以純鎂的電位-pH圖（圖1）為例，圖中主要分為金屬鎂、鎂離子、氫氧化鎂三個區域，分別對應了金屬穩定區，腐蝕區和鈍化區，如圖2所示。在標注為金屬鎂的區域，從熱力學角度來說，腐蝕不會發生，即金屬鎂可以穩定存在；鎂離子的區域則意味著鎂傾向于以離子狀態存在，即發生腐蝕；而在氫氧化鎂的區域，雖然鎂并不以單質的形式存在，但是由于生成的氫氧化鎂能夠穩定存在，其附著在鎂表面可以在一定程度上阻止腐蝕的繼續發生，即生成了鈍化層，有利于耐腐蝕性能的提高。由此可見，Pourbaix相圖是分析腐蝕熱力學傾向的強有力工具。盡管已經有超過70種常見金屬的電位-pH圖都已通過實驗測定繪制，但是針對合金尤其是鎂合金體系的電位-pH圖仍然是未知的，亟需通過大批量的計算或實驗來完善。目前鎂合金耐腐蝕性能差的缺陷依然沒有得到很好地解決。因此，如何通過有效的鎂合金配方設計和開發，提高鎂合金的耐腐蝕性能，依然是艱巨而迫切的任務。技術實現要素：本發明針對現有鎂合金腐蝕性能差的技術問題，開發了一種新型體系的Mg-Sc-Mn-Zr高耐蝕鎂合金。本發明所開發的高耐蝕鎂合金，從減小腐蝕反應驅動力、抑制陽極和陰極反應這三個方面進行了腐蝕性能的改善，得到了比高純鎂（99.95%）腐蝕速率還低一個數量級的材料，可應用在LED以及電子產品的外觀件上。實現本發明目的而采用的技術方案為：一種高耐蝕鎂合金，按質量分數計，該鎂合金的成分為：Sc2-5%，Mn0.5-1%，Zr0.5-1%，余量為Mg及不可避免的雜質。作為本發明一優選實施例，所述的高耐蝕鎂合金，按質量分數計，該鎂合金的成分為：Sc3%，Mn0.8%，Zr0.7%，余量為Mg及不可避免的雜質。作為本發明一優選實施例，所述的高耐蝕鎂合金，按質量分數計，該鎂合金的成分為：Sc5%，Mn0.5%，Zr0.5%，余量為Mg及不可避免的雜質。作為本發明一優選實施例，所述的高耐蝕鎂合金，按質量分數計，該鎂合金的成分為：Sc2%，Mn1%，Zr1%，余量為Mg及不可避免的雜質。優選地，本發明所述的高耐蝕鎂合金由如下方法制得：1）備料和爐子清理：根據鎂合金成分比例備料，爐子清洗干凈；其中，Sc元素以Mg-Sc中間合金加入，Mn元素以單質或則Mg-Mn中間合金形式加入，Zr元素以純Zr或則Mg-Zr中間合金加入；2）鎂錠熔化：將全部純鎂錠放進井式電阻坩堝爐，在坩堝底部和純鎂錠表面均勻撒上硫磺粉，用坩堝蓋將坩堝密閉，通入由體SF6和N2組成的保護氣體，加熱升溫，使全部純鎂錠在二氧化硫和所述保護氣體下完全熔化，將鎂熔液溫度控制在700?780℃；3）加入中間合金：待鎂熔液溫度達到710℃以上時，將烘干后的Mg-Mn中間合金、Mg-Zr中間合金加入到鎂熔液中，鎂熔液升溫至750℃，將Mg-Sc中間合金加入到鎂熔液中，保溫15分鐘，保證加入的中間合金全部熔化，制得鎂合金液；4）合金精煉：待鎂熔液溫度升至730℃以上，加入鎂合金專用精煉劑開始進行精煉；精煉過程中，精煉勺浸入鎂合金液的2/3處，激烈地由上至下攪拌鎂合金液直至液面出現鏡面光澤為止；在攪拌過程中，不斷地往鎂合金液面上撒鎂合金專用精煉熔劑；精煉完畢，清除液面上的熔劑和浮渣，再輕輕撒上一層覆蓋劑；降溫到適宜溫度靜置直至夾雜充分上浮或下沉，最后進行扒渣。優選地，在步驟4）中，所述的鎂合金專用精煉劑為：稀土鎂合金專用RJ-5精煉熔劑。優選地，在步驟4）中，所述的覆蓋劑為：稀土鎂合金專用RJ-5熔劑。與現有技術相比，本發明的技術優點在于：1、本發明所開發的高耐蝕鎂合金，其添加了Sc元素，通過測試不同成分的開路電位發現，Sc元素含量越大，電位升高，腐蝕傾向減小，因而腐蝕反應驅動力下降，通過測試動電位極化曲線發現，添加了Sc元素后的Mg-Sc合金，無論是陰極還是陽極曲線均像左偏移，意味著添加Sc元素可以同時抑制陽極和陰極反應，從而可以有效地降低腐蝕驅動力，但是通過實驗發現：過量的Sc元素反而使得鎂合金的析氫量和失重量上升。2、本發明所開發的高耐蝕鎂合金，其中Sc元素的含量控制在2-5%之間，改善Mg基體表面不完整的膜層，原來Mg基體表面的膜層體積條件P-B比（Pilling-bedworthRatio）小于1，即膜層結構縮松，無法完全覆蓋Mg基體表面，加入適量的Sc元素以后，可形成Sc2O3和Mg(OH)2的混合膜，使得Mg基體表面膜層更致密，大幅降低高純鎂的腐蝕速率。3、本發明通過添加適量的Sc元素，并且合理配比其他合金元素的種類和比例，通過合金元素的協同作用進一步提升了鎂合金材料的腐蝕性能，成功開發出一種Mg-Sc-Mn-Zr新型體系的高耐蝕鎂合金。附圖說明圖1為現有技術中純鎂的電位-pH圖。圖2為現有技術中純鎂的熱力學穩定狀態區域圖。圖3為實施例3所制得Mg-5Sc鎂合金材料在3.5%氯化鈉溶液腐蝕24小時后的XPS圖譜。具體實施方式下面結合實施例對本發明做進一步描述。實施例1以25kg為例，根據Mg-3Sc-0.8Mn-0.7Zr配比為例，其按質量分數計，Sc3%，Mn0.8%，Zr0.7%，余量為Mg以及不可避免的雜質，計算出中間合金的質量，進行備料。具體可由如下方法制得：1）備料和爐子清理：根據鎂合金成分比例備料，爐子清洗干凈；其中，Sc元素以Mg-Sc中間合金加入，Mn元素以單質或則Mg-Mn中間合金形式加入，Zr元素以純Zr或則Mg-Zr中間合金加入；2）鎂錠熔化：將全部純鎂錠以盡量緊密的方式放進井式電阻坩堝爐，在坩堝底部和純鎂錠表面均勻撒上硫磺粉，用坩堝蓋將坩堝密閉，通入由體SF6和N2組成的保護氣體，加熱升溫，使全部純鎂錠在二氧化硫和所述保護氣體下完全熔化，將鎂熔液溫度控制在700?780℃；3）加入中間合金：待鎂熔液溫度達到710℃以上時，將烘干后的Mg-Mn中間合金、Mg-Zr中間合金加入到鎂熔液中，鎂熔液升溫至750℃，將Mg-Sc中間合金加入到鎂熔液中，保溫15分鐘，保證加入的中間合金全部熔化，制得鎂合金液；4）合金精煉：待鎂熔液溫度升至730℃以上，加入鎂合金專用精煉劑開始進行精煉；精煉過程中，精煉勺浸入鎂合金液的2/3處，激烈地由上至下攪拌鎂合金液直至液面出現鏡面光澤為止；在攪拌過程中，不斷地往鎂合金液面上撒鎂合金專用精煉劑；精煉完畢，清除液面上的熔劑和浮渣，再輕輕撒上一層覆蓋劑；降溫到適宜溫度靜置直至夾雜充分上浮或下沉，最后進行扒渣。本實施例制備的Mg-3Sc-0.8Mn-0.7Zr高耐蝕鎂合金材料，其析氫量為0.8mL/cm2/day，失重量為0.6×10-2g/cm2/day。實施例2以25kg為例，根據Mg-2Sc-1Mn-1Zr配比為例，其按質量分數計，Sc2%，Mn1%，Zr1%，余量為Mg以及不可避免的雜質，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。本實施例制備的Mg-2Sc-1Mn-1Zr高耐蝕鎂合金材料，其析氫量為1.0mL/cm2/day，失重量為0.5×10-2g/cm2/day。實施例3以25kg為例，根據Mg-5Sc-0.5Mn-0.5Zr配比為例，其按質量分數計，Sc5%，Mn0.5%，Zr0.5%，余量為Mg以及不可避免的雜質，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。本實施例制備的Mg-5Sc-0.5Mn-0.5Zr高耐蝕鎂合金材料，其析氫量為0.4mL/cm2/day，失重量為1.0×10-2g/cm2/day。對比例1以25kg為例，根據Mg-10Sc-0.8Mn-0.7Zr配比為例，其按質量分數計，Sc10%，Mn0.8%，Zr0.7%，余量為Mg以及不可避免的雜質，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。對比例1制備的Mg-10Sc-0.8Mn-0.7Zr高耐蝕鎂合金材料，其析氫量為2.6mL/cm2/day，失重量為3.1×10-2g/cm2/day。對比例2以25kg為例，根據Mg-15Sc-0.8Mn-0.7Zr配比為例，其按質量分數計，Sc15%，Mn0.8%，Zr0.7%，余量為Mg以及不可避免的雜質，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。對比例1制備的Mg-15Sc-0.8Mn-0.7Zr高耐蝕鎂合金材料，其析氫量為3.0mL/cm2/day，失重量為3.7×10-2g/cm2/day。表1為實施例1-3、對比例1和2進行的析氫試驗和失重試驗測試值，通過表1可以對比看出高純鎂以及不同比例Sc元素對于鎂合金的腐蝕影響。對于本發明的高耐蝕鎂合金來說，只有添加適量的Sc元素才能提高鎂合金的耐腐蝕性能，過量的Sc元素反而使得鎂合金的析氫量和失重量上升。表1合金成分HPMg實施例1實施例2實施例3對比例1對比例2析氫量（mL/cm2/day）7.40.81.00.42.63.0失重量（×10-2g/cm2/day）7.10.60.51.03.13.7對實施例3所制得的Mg-Sc高耐蝕鎂合金材料腐蝕測試，圖3為Mg-5Sc鎂合金材料在3.5%氯化鈉溶液腐蝕24小時后的XPS圖譜。如圖3所示，可以明顯地看到在Mg-5Sc鎂合金材料表面腐蝕產物中存在Sc和Mg元素，說明膜層中含有Sc2O3和Mg(OH)2兩種混合成分。本發明正是通過Sc2O3和Mg(OH)2在鎂合金材料表面形成混合膜層，當Sc含量大于2%時，P-B比大于1，能在鎂合金材料表面形成穩定致密的保護膜。而當Sc含量小于2%時，不能形成有效的混合膜層，起不到保護作用；當Sc含量大于5%時，又會引入β-Sc第二相，這種第二相會和Mg基體形成微電偶腐蝕，從而影響腐蝕速率。當前第1頁1 2 3