刘丽琴|胡文毅|胡成璐|雷启琪|廖启宇|赵大志|谢秀珍
教育部电磁材料加工重点实验室，东北大学，沈阳110819，中国
**摘要**
本文综述了镁合金的高温抗氧化性能，重点探讨了氧化动力学/热力学、合金化效应以及氧化膜特性。氧化过程遵循抛物线-线性规律，并伴随着镁的蒸发；通过扣除在氩气氛围下的质量损失，可以得到真实的重量增加曲线。吉布斯自由能竞争主导了氧化的优先级。铝（Al）和锌（Zn）会降低抗氧化性能，而碱土金属和稀土元素则通过形成致密的复合氧化膜来增强抗氧化性，这体现了活性元素效应、表面活性元素效应以及协同的“1+1>2”效应。RPB比（Pilling-Bedworth ratio）和OR模型共同用于评估氧化膜的质量。活性元素调控氧化层结构，均匀的表面成分有利于保护膜的形成。本研究为高温应用中的合金设计与防护优化提供了指导。
**引言**
为应对当前能源和燃料的短缺以及温室气体排放的持续增加，交通运输行业对轻质材料的需求急剧上升。作为最轻的工程金属结构材料，镁合金因其优异的性能（如高比强度、高比刚度、电磁屏蔽性能和易回收性）而受到广泛关注[1][2][3][4][5]。然而，镁及其合金具有高度活泼的化学性质，在室温下容易发生氧化和腐蚀[6][7]。在400℃以上温度下形成的氧化膜通常疏松多孔，连续性和保护性不足，无法有效阻挡氧气的持续内扩散和金属离子的外迁[8][9][10]，这导致氧化速率急剧加快，甚至出现剧烈的“燃烧”现象，严重限制了它们在高温部件中的应用和普及[9][11][12][13]。
现有研究表明，氧化膜的结构完整性是决定高温抗氧化性能的关键因素，氧化膜的裂纹和剥落（由Pilling-Bedworth比不匹配引起的内应力）是主要失效模式[14][15]。镁氧化膜疏松多孔，P-B比（Pilling-Bedworth ratio）小于1，无法有效阻挡氧气扩散，从而导致抛物线-线性加速氧化特性[16]。合金化是一种核心策略：通过调控合金元素的表面偏聚行为（如钙（Ca）、稀土元素（REs）），可以诱导形成具有梯度结构的复合氧化层或细化氧化膜的晶粒尺寸，从而显著提高氧化膜的致密性和附着力[17][18][19]。添加稀土元素可以形成致密的ReMOn氧化层，显著提升氧化膜的保护性能[20][21][22][23]；铝（Al）元素通过形成均匀连续分布的Mg17Al12相来抑制镁的扩散，并促进尖晶石型MgAl2O4保护膜的形成[24][25]；钙（Ca）和铍（Be）等元素通过细化晶粒或形成阻挡层来延缓氧化[26][27][28]。微弧氧化等表面处理技术可以制备出具有高结合强度的陶瓷层，而物理气相沉积Al2O3或Cr2O3涂层可以有效隔离基体与氧气环境[29][30]。此外，氧化动力学模型的改进揭示了温度、氧分压和合金元素扩散系数对氧化速率的耦合效应。深入理解元素偏聚、双稀土元素的协同效应以及氧化膜形成动力学等微观机制，不仅为新型高温耐镁合金的开发提供了理论基础，还对表面纳米晶化处理等防护技术的优化具有重要的指导意义，最终促进了镁合金在高温关键部件中的可靠应用。
本文建立了机制-结构-性能的范式，从四个逻辑层面综述了镁合金的高温抗氧化性能：氧化动力学-热力学（内在驱动力）、合金化调控（外部改性）、氧化膜结构-性能（核心载体）以及多机制耦合（演化规律）。综述重点关注以下四个方面的最新进展：镁合金的氧化动力学和热力学、合金基体特性对氧化行为的影响、合金元素对抗氧化性能的影响以及氧化膜的生长机制。
**部分摘录**
**氧化**
镁及其合金在高温空气中极易氧化，与氧气的化学反应方程式（1）如下：
Mg + 1/2O2 → MgO
在理想条件下，氧化过程中的重量增加等于进入氧化层的氧气质量[31]。因此，可以通过测量镁合金样品在氧化过程中的重量增加来表征其氧化动力学，如图1所示[32][33][34]。
**主要合金元素**
铝（Al）、锌（Zn）、锆（Zr）和锰（Mn）是镁合金中最常见的常规合金元素，它们对氧化行为的影响已系统量化如下：
先前的研究表明，当铝含量超过1.1 wt.%时，镁合金的氧化速率会加快[57]。由于镁对氧的亲和力高于铝，优先形成MgO，且基体中的镁含量占主导地位，因此形成的氧化物中Al2O3的含量非常少。
**致密性和连续性**
镁合金的高温抗氧化性能主要取决于氧化膜的致密性和连续性。Pilling-Bedworth比（RPB）是衡量氧化膜致密性的定性指标，定义为形成的金属氧化物体积与消耗的金属体积之比，表达式为（16）[18]：
RPB = (Voxide / Vmetal) × (ρmetal / ρoxid)
其中，M表示原子或分子质量，n表示金属原子数。
**结论**
本文总结了镁合金的氧化动力学和热力学、合金化对氧化的影响及机制、镁合金自身因素对氧化的影响以及镁合金氧化膜的相关特性。主要结论如下：
1. 在镁合金的实际氧化过程中，镁的氧化与镁蒸气的蒸发同时进行。由于镁蒸气最终达到饱和蒸汽压，氧化过程加速。
**作者贡献声明**
谢秀珍：软件处理、项目管理工作、数据分析、数据管理。
刘丽琴：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、资源管理、项目管理工作、方法论研究、数据分析、概念化设计。
赵大志：方法论研究。
廖启宇：项目管理工作、资金筹集。
雷启琪：项目管理工作、方法论研究、资金筹集。
胡成璐：软件处理。
**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益冲突或个人关系。
**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52274377）的财政支持。
