鎂合金腐蝕與防護綜合實驗教學設計

許婷熠， 佘 加， 趙燕飛， 王金星， 湯愛濤， 吳 剛

（重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044）

0 引 言

隨著“雙碳”戰略目標的提出，低碳建筑、低碳交通、低碳能源的開發和應用得到了更多關注。鎂合金被譽為“21 世紀綠色工程材料”，在航空航天、國防軍工、電子、汽車、生物醫用等領域有廣泛應用［1-2］。但鎂合金電極電位低、易腐蝕［3-5］，成為鎂合金應用上的瓶頸。因此，開展鎂合金的腐蝕與防護研究已成為近年來的研究熱點。

金屬腐蝕與防護課程作為材料科學與工程專業學生的專業必修課，主要涉及腐蝕概念與特征、腐蝕機理、影響因素以及防護方法等。金屬腐蝕與防護實驗是材料腐蝕與防護課程的重要組成部分，旨在幫助學生全面掌握課程內容，提高動手能力。本文為了深化教育教學改革，推進“新工科”建設［6-7］，將金屬腐蝕與防護實驗結合學科特色，融入鎂合金相關研究課題，不僅能讓學生了解專業前景、扎實專業知識、具備分析處理工程問題的能力，還能培養學生的創新思維、提高綜合素質［8-10］。

1 綜合實驗內容設計

本綜合實驗涉及鎂合金腐蝕與防護相關內容，設計主要分為鎂合金防護模塊和腐蝕性能評定模塊。實驗內容從問題出發，為了提高鎂合金材料的使用壽命，引導學生查閱相關文獻資料，設計實驗方案提高鎂合金材料的腐蝕性能，并通過一系列腐蝕性能測定方法，評定實驗方案是否可行。實驗流程見圖1。

圖1 鎂合金腐蝕與防護綜合實驗流程圖

1.1 鎂合金防護模塊

為了提高鎂合金腐蝕性能，主要從添加合金元素、鎂合金表面處理兩方面著手［11-13］設計實驗。研究的鎂合金材料可以從教師的科研課題中選取，如航空航天材料Mg-Zn-Zr-RE系、Mg-Y-RE系，汽車零部件材料Mg-Al-Zn 系、Mg-Al-Mn 系，生物醫用材料Mg-Zn系等。

（1）添加合金元素。實驗中可提供一個合金元素庫供學生選擇，其中包括Ca、Sr、Nd、Ce、Y、La、Mn 等，學生通過查閱資料，設計具體添加合金元素與含量，可單一添加，也可復合添加。實驗開展時從教師科研課題中選取一種鎂合金材料作為研究對象，每班學生分3 大組，組內3 或4 人為一小組，通過查閱資料每大組選定一種合金元素作為添加元素，每小組可設計該合金元素的不同添加量，通過文獻閱讀與線上視頻學習，初步掌握鎂合金的熔煉方法與熔煉合金成分配比方式，實驗前計算熔煉所需合金質量（考慮合金燒損率），稱量并打磨原材料。為研究添加合金元素后能否提高材料腐蝕性能，設定一學生小組在相同條件下熔煉未添加合金元素的鎂合金材料，用作對比分析。

鎂合金熔煉具有一定危險性，熔煉過程須在教師指導下完成，考慮實驗的安全性與時效性，選用真空感應爐進行鎂合金的熔煉，具體步驟是：將準備好的原材料加入干鍋，放入真空感應爐，爐內充入CO2和SF6（0.5% ～1.5%（體積分數））的混合氣體作為保護氣體，加熱至740 ℃，保溫15 min后，出爐水冷。用XRF熒光測試分析儀測量熔煉合金成分是否滿足要求。通過線切割機將試樣切割成10 mm ×10 mm ×5 mm 的長方體，待后續實驗使用。

（2）表面處理。鎂合金常用的表面處理有化學鍍、電鍍、陽極氧化、微弧氧化、化學轉化處理等［11，13］?；瘜W轉化處理工藝設備簡單、易操作，本綜合實驗選用此工藝對鎂合金進行表面處理。

鎂合金化學轉化處理根據化學轉化時所用化學試劑不同，可分為鉻酸鹽轉化、磷酸鹽轉化、錫酸鹽轉化、鉬酸鹽轉化處理等［1，14］。鎂合金化學轉化處理包括如下步驟：①打磨，用砂紙去除試樣表面機加工及氧化物等痕跡，使其表面光亮平整。②堿洗，去除試樣表面殘留的油污等。③酸洗，去除試樣表面的氧化皮、雜質、污物等。④活化，去除酸洗過程的殘留液，在試樣表面形成一層薄膜，促進轉化膜的形成。⑤轉化膜處理，在試樣表面形成由氧化物金屬鹽組成的表面膜。⑥烘干，封裝。

將選定好的鎂合金材料加工成10 mm ×10 mm ×5 mm的長方體，學生自行選擇化學轉化處理類型，根據實驗指導書或資料文獻中的具體操作進行實驗。鼓勵學生自行設計化學轉化液配方，嘗試不同化學轉化處理工藝，探索最佳實驗工藝。

1.2 腐蝕性能評定模塊

腐蝕速率是鎂合金耐蝕性能常用的評定指標，本模塊主要通過浸泡實驗、電化學實驗來評定實驗材料的腐蝕性能。學生需掌握鎂合金腐蝕原理、儀器設備的使用方法、數據處理方法，比較鎂合金防護模塊下不同方案的鎂合金腐蝕性能。

（1）浸泡實驗。①析氫測量法。鎂合金相較于其他金屬材料，在腐蝕過程中總是伴隨著氫氣的析出，純鎂腐蝕的總反應式為

可見溶解一個鎂原子就會伴隨一個氫分子氣體的產生。對鎂合金而言，1 mL 氫氣的析出相當于1 mg 的鎂合金被溶解（誤差遠小于10%）［3］。因此，通過測量腐蝕過程中析出氫氣的體積就能推算出鎂合金的腐蝕速度，由經驗公式［15-16］計算出鎂合金的自腐蝕速率：

式中：PH為試樣腐蝕速率（mm／a）；ΔV為析氫體積（mL）；s為試樣的暴露面積（cm2）；t為試樣的腐蝕時間（d）。

析氫測量法的主要步驟：

（a）試樣準備。將試樣冷鑲嵌，露出10 mm ×10 mm的工作面積；再用砂紙將試樣表面打磨光亮，去除表面劃痕與氧化膜（經表面處理的試樣無需磨制）。

（b）析氫實驗。析氫裝置如圖2 所示，裝置分別為燒杯、倒扣的漏斗與滴定管，將鑲嵌好的試樣放置于圖2 裝置中，裝置內充滿3.5%（質量分數）的NaCl水溶液。實驗開始記錄滴定管上液面刻度，每隔1 h 記錄一次滴定管刻度值，直至有一組試樣的滴定管內液面降至最低刻度線。

圖2 鎂合金腐蝕過程氫氣收集示意圖

（c）數據處理。計算不同時間下鎂合金的腐蝕速率，繪制不同狀態的鎂合金析氫速率隨時間的變化曲線。

②浸泡失重法。失重法是通過質量損失的多少來表征腐蝕速率的一種方法。將試樣放入腐蝕環境一段時間后，取出并清除全部腐蝕產物，測量其質量變化。由經驗公式［15-16］可計算鎂合金的自腐蝕速率：

式中：Pw為試樣腐蝕速率（mm／a）；m0為腐蝕前試樣的質量（mg）；m1為腐蝕后試樣的質量（mg）。

浸泡失重法的主要步驟：

（a）試樣準備。每組同一試樣準備5 個，每個試樣面用砂紙打磨至光亮無劃痕（經表面處理的試樣無需磨制），用分析天平稱量試樣質量，并用游標卡尺測量試樣每個面尺寸。

（b）浸泡實驗。將試樣用細線懸掛于盛有100 mL 3.5%（質量分數）的NaCl水溶液的燒杯中，每隔1 d取出一組試樣，放入200 g／L CrO3與10 g／L AgNO3的混合溶液中浸泡5 ～10 min 去除腐蝕產物，再用蒸餾水沖洗，干燥后稱量腐蝕后試樣的質量。

（c）數據處理。觀察不同時間、不同防護狀態下鎂合金的宏觀腐蝕形貌，并計算不同時間下鎂合金的腐蝕速度，繪制不同狀態的鎂合金失重速率隨時間的變化曲線。

浸泡實驗的時間較長，各小組自行規劃好實驗記錄時間。實驗后分析討論析氫測量法與浸泡失重法的結果異同，并比較不同實驗方案下鎂合金的腐蝕性能。

（2）電化學實驗。電化學方法是研究與測量腐蝕的重要手段，本實驗通過動電位極化曲線的測定，推算出鎂合金的腐蝕速度。為保證實驗結果的準確性，每組試樣設計3 組平行試驗，具體實驗內容如下：

①鎂合金電極的制作。將試樣與銅導線連接，用冷鑲嵌劑封樣，留出10 mm×10 mm的工作面積，并依次用180＃，400＃，800＃，1 200＃砂紙打磨光亮（經表面處理的試樣無需磨制），清洗干燥后待用。

②開路電位的測定。將鎂合金電極浸泡于3.5%（質量分數）的NaCl 水溶液15 min 后，采用三電極體系與電化學工作站連接，進行開路電位測定，得到電位-時間曲線，一般測試時間10 min，當電位變化在1 mV／s時即認定自腐蝕電位已穩定，此時即為待測電極的自腐蝕電位。

③動電位極化曲線的測量。電化學工作站選擇Tafel曲線（動電位極化曲線）測試，根據開路電位設定試驗參數，掃描速度為1 mV／s，時間15 min，得到Tafel曲線。由Tafel外推法得到待測合金的腐蝕電流，用腐蝕電流除以試樣的工作面積即為待測試樣的腐蝕速度。

2 綜合實驗教學設計

本綜合實驗可作為金屬腐蝕與防護課程的配套實驗課程，也可應用于本科教學的專題實驗中，共16 學時，具體實驗教學進度安排見表1。

表1 鎂合金腐蝕與防護綜合實驗教學進度

課程安排在小學期1 周內進行，采用線上線下相結合的模式：實驗課程概述安排在小學期開始；隨后1周時間內學生分組自行規劃實驗時間，線上學習并查閱資料、設計實驗方案、實施實驗，教師負責審核實驗方案、把控實驗質量、監督實驗操作規范及實驗安全意識等；在1 周最后1 d進行實驗總結與討論，總結實驗中的問題與難點，討論實驗結果，若與理論分析存在較大誤差，引導學生積極思考、敢于質疑。

在實驗教學過程中，應充分發揮教師與學生的“雙主體”作用［17］，通過教師將科研內容與實驗教學結合，根據學科前沿與發展動態更新實驗內容，引導學生學會科學研究的思維與方法、增強學生的科研興趣、鞏固學生對專業知識的掌握；學生通過自主設計實驗內容、制定實驗方案、分組協作實施實驗、與教師交流實驗難點、分析討論實驗結果，鍛煉了實踐動手能力、激發了科研創新熱情，為將來畢業設計打下良好基礎。對于科研興趣濃厚的學生，可將該實驗項目拓展為大學生科研訓練計劃或畢業設計課題，鼓勵他們對材料微觀組織、力學性能等進一步研究，探尋腐蝕機理。

3 綜合實驗特色與成效

3.1 實驗特色

（1）實施科教融合的教學方法，將科研內容與成果轉化為實驗教學資源，以鎂合金的實際應用為出發點，激發學生的科研興趣，提升學生對專業前景的認可。

（2）摒除傳統實驗的單一性與驗證性，引入探索性實驗教學，實驗內容具有連續性，實驗中有多變量及影響因素，學生需實踐探索找出最佳變量。

（3）實驗內容為設計性、創新性、研究型綜合實驗，圍繞專業問題，提升實驗任務的高階性和挑戰性，加深學生對專業知識的掌握。

3.2 實驗成效

實驗內容包含金屬腐蝕與防護、材料科學基礎、材料近現代分析測試方法等課程內容，加強了學生對專業知識、各項分析測試技術的掌握；通過開展全過程實驗，開拓了學生解決實際工程問題的能力；分組開展實驗，提高了學生的組織能力與團隊合作能力；將科研方法引入實驗教學，培養了學生的創新思維與科研素養。

4 結 語

本綜合實驗從解決實際工程應用問題入手，為解決鎂合金腐蝕速度過快的瓶頸，設計了鎂合金腐蝕與防護綜合實驗。本實驗從鎂合金成分設計、表面處理工藝兩方面開展，通過不同腐蝕速度評定方法表征鎂合金的腐蝕速度，從而探究實驗方案的可行性。教學模式上以學生為主體，教師引導學生設計并探索實驗，將科學研究的方法引入實驗教學，利用學?，F有科研資源，優化實驗內容，以更好地擴充學生的專業知識，增強學生的創新創業意識，為培養應用型、創新型人才奠定基礎。