天津大学镁合金顶刊《JMA》：降幅超30%！碳纳米管改善镁合金焊缝耐蚀性

2026-02-26 11:45:21 作者：本网发布来源：材料学网分享至：

摘要：本研究对比了AZ31B镁合金母材、未添加碳纳米管与添加碳纳米管（CNTs）的激光电弧复合焊缝的耐腐蚀性，系统探究了碳纳米管对焊缝耐蚀性能的改善效果及内在作用机制。碳纳米管的引入有效细化了焊缝晶粒，弱化了织构取向，提升了显微组织均匀性，进而增强了焊缝的耐腐蚀性。具体而言，添加碳纳米管后，焊缝的析氢腐蚀速率与失重腐蚀速率降幅均超过30%；同时因形成了Al₂O₃钝化膜，腐蚀产物的致密度显著提高。电化学测试结果显示，添加碳纳米管的焊缝腐蚀电流密度为1.220 μA/cm²，极化电阻为7155 Ω・cm²；而未添加碳纳米管的焊缝腐蚀电流密度为2.480 μA/cm²，极化电阻仅约269.5 Ω・cm²。此外，碳纳米管的加入使焊缝中析出相含量从0.60%提升至1.76%，析出相可释放Al³⁺，促进致密Al₂O₃钝化膜的形成，从而阻止腐蚀介质进一步侵蚀金属基体。

背景：镁合金具有低密度、高比强度及优良的阻尼性能，是航空航天、通信及生物医药领域不可或缺的关键材料。然而，由于其固有的活性化学性质，在腐蚀性环境中容易腐蚀，严重阻碍了其广泛应用。此外，这种腐蚀敏感性在镁合金焊缝处表现得尤为突出。焊接过程中，快速且复杂的热循环会使焊缝形成非平衡组织，同时产生残余应力与冶金缺陷，这些因素均会成为优先腐蚀位点，进而进一步降低焊缝的耐蚀性。

镁合金的常用焊接方法包括搅拌摩擦焊、激光焊、电弧焊以及激光—电弧复合焊。激光—电弧复合焊兼具电弧焊的冶金调控优势与激光焊高生产效率、低热输入的特点。激光与电弧的耦合作用能够提高熔池稳定性、缩窄热影响区（HAZ），并最大限度减少焊接缺陷的产生。Meng等人的研究发现，激光—电弧复合焊的协同效应可有效抑制熔滴的开裂倾向，实现熔滴稳定过渡。Gao等人通过该工艺获得了稳定的焊接过程与优质的激光—熔化极惰性气体保护（MIG）复合焊缝，他们认为，激光匙孔效应改善了电弧的引弧性能，而激光与电弧的交互作用又增强了电磁力，这两大因素共同避免了熔滴过热。Xiong等人探究了焊后热处理对激光—电弧焊接镁合金性能的影响，研究表明，经350 ℃保温20分钟的热处理后，试样的抗拉强度与伸长率分别达到了母材的99.5%与98.5%。

尽管优势显著，激光—电弧复合焊缝的耐蚀性仍不及母材。焊缝界面处的组织不均匀性、析出相及微观缺陷会形成复杂的腐蚀网络，加剧腐蚀进程。Liu等人指出，激光—电弧复合焊缝的耐蚀性主要受晶粒细化与连续网状β相的协同作用调控。Zhuang等人的研究发现，激光—电弧复合焊接头中的6061铝合金与AZ31B镁合金母材均发生了严重腐蚀，其中铝合金有效电容的降低是引发电偶腐蚀的关键原因。

因此，如何提升焊缝耐蚀性已成为当前的研究热点之一，常用的改进方法包括成分设计、表面处理、工艺优化及焊后热处理。Nowak等人对比了QE22、ZRE1及WE43三种镁合金的耐蚀性，发现添加稀土元素的镁合金，其耐蚀性均低于AZ91镁合金。Zhao等人采用两步辐照工艺，成功去除了不锈钢焊缝表面的氧化膜，显著提升了焊缝的耐蚀性。Chen等人提出，焊接过程中施加外加磁场可减弱δ-铁素体的织构强度，并促进均匀的骨架状组织形成，从而改善奥氏体不锈钢焊缝的耐蚀性。此外，Zhang等人的研究表明，焊后热处理有助于奥氏体的形成、Cr₂N相的溶解及枝晶偏析的消除，这些变化共同增强了激光焊接双相不锈钢的耐蚀性。尽管上述方法在提升焊缝耐蚀性方面均表现出一定效果，但它们普遍面临加工成本高、操作流程复杂、工业化应用潜力有限等现实挑战。

将纳米材料引入焊接工艺，为解决上述问题提供了一种极具前景的前沿策略。常用的纳米材料包括Ti_C、B₄C、Al₂O₃等纳米颗粒，以及碳化硅晶须、碳纳米管（CNTs）等纳米纤维。其中，碳纳米管因高长径比、优异导电性及卓越的力学性能而备受关注。大量研究证实，碳纳米管可显著提升复合材料的力学性能与功能特性。Shi等人制备了碳纳米管增强镁基复合材料，发现晶粒细化效应与碳纳米管的拔出效应共同改善了材料的塑性。Abazari等人的研究显示，向AZ31镁合金中添加碳纳米管后，合金晶粒尺寸细化了61%，抗压强度与硬度分别提升了36%与37%。Omid Ekhlasiosgouei等人发现，碳纳米管的均匀分布可增强复合材料的耐蚀性；但随着碳纳米管含量增加，其与基体之间会形成微电偶对，反而加速腐蚀进程。这一结论表明，碳纳米管虽优势显著，但其添加量必须严格控制，以避免对材料耐蚀性产生负面影响。

综上可知，添加碳纳米管能够提升复合材料的耐蚀性。此外，我们前期的研究工作也证实，碳纳米管的引入可改善镁合金焊缝的组织特征与力学性能。这些研究结果表明，将碳纳米管添加至焊缝中，是提升镁合金焊缝耐蚀性的可行策略。然而，尽管该技术的工业化潜力与应用价值日益凸显，相关的研究报道却十分有限，这一领域存在明显的研究空白。针对上述问题，本研究对比了母材、未添加碳纳米管的激光—电弧焊缝、添加碳纳米管的激光—电弧焊缝这三类试样的耐蚀性，并探究了碳纳米管改善焊缝耐蚀性的内在机制。本研究结果将有助于深化对碳纳米管增强镁合金焊缝的认知，并为其在腐蚀环境中的工业化应用提供科学依据。

该项研究成果以“Improvement in corrosion resistance of magnesium weld by addition of carbon nanotubes”为题，在线发表于国际材料期刊《Journal of Magnesium and Alloys》。天津大学徐连勇教授、郝康达副教授为该论文通讯作者。该研究工作获得国家自然科学基金（52275364、52025052）的资助。