Mg-Gd-Fe和Mg-Gd-Cu合金的微觀組織、力學性能和腐蝕性能的對比

摘要

為應對石油鉆井領域對可降解壓裂工具的需求，本文制備了Mg-Gd-Fe和Mg-Gd-Cu兩種合金，并對比研究了其微觀組織、力學性能和腐蝕性能。

研究發現：

Mg-Gd-Cu合金的屈服強度（169.6 MPa）和抗拉強度（215.1 MPa）高于Mg-Gd-Fe合金（107.5 MPa 和 182.1 MPa），主要歸因于其第二相體積分數更高、晶粒更細。

斷后伸長率方面，Mg-Gd-Fe為53.0%，遠高于Mg-Gd-Cu的23.3%，主要由于Cu削弱了稀土織構，且第二相體積分數高導致塑性下降。

在25°C、3.0% KCl溶液中，兩種合金均表現出良好的降解性能，降解速率分別為380.9 mm/y（Mg-Gd-Fe）和219.5 mm/y（Mg-Gd-Cu）。

1. 實驗材料與方法

合金成分（質量分數）：

Mg-Gd-Fe：Gd 2.76%，Fe 0.05%，余量Mg；

Mg-Gd-Cu：Gd 2.27%，Cu 1.46%，余量Mg。

制備工藝：半連續鑄造→400°C均勻化→400°C擠壓（擠壓比28:1）。

測試手段：OM、SEM、EBSD、EDS、硬度測試、拉伸/壓縮實驗、電化學測試（極化曲線、EIS）、浸泡腐蝕實驗。

2. 結果與討論

2.1 顯微組織

Mg-Gd-Fe：晶粒較粗，呈雙峰分布，第二相為富Fe相，數量較少。

Mg-Gd-Cu：晶粒更細，分布均勻，第二相為Mg?Cu，體積分數高，沿擠壓方向呈流線型分布。

2.2 力學性能

合金 | 拉伸屈服強度(MPa) | 抗拉強度(MPa) | 伸長率(%) | 壓縮屈服強度(MPa) | 抗壓強度(MPa) |

Mg-Gd-Cu因第二相強化和細晶強化，強度更高；

Mg-Gd-Fe因稀土織構保留，塑性更好。

2.3 織構與動態再結晶

Mg-Gd-Fe：稀土織構，晶粒取向隨機，再結晶率97.9%。

Mg-Gd-Cu：纖維織構增強，再結晶率94.6%，織構變化導致塑性下降。

2.4 電化學性能

Mg-Gd-Cu的腐蝕電流密度（Icorr）更高（0.571 mA/cm2），腐蝕電位更負；

Mg-Gd-Fe的腐蝕速率（380.9 mm/y）高于Mg-Gd-Cu（219.5 mm/y），主要因Fe與Mg形成強電偶腐蝕。

2.5 腐蝕形貌

Mg-Gd-Fe：腐蝕坑深且大，富Fe區腐蝕嚴重；

Mg-Gd-Cu：第二相周圍基體優先腐蝕，形成點蝕坑，第二相脫落。

3. 結論

1. 力學性能：Mg-Gd-Cu強度更高，Mg-Gd-Fe塑性更優；

2. 腐蝕性能：兩種合金均具備高降解速率，Mg-Gd-Fe更快；

3. 腐蝕機制：Fe與Mg電位差大，形成強電偶腐蝕；Cu分布均勻，腐蝕更均勻但速率略低。