幾十年來，對全球氣候變化、化石能源危機風險以及對更高能效的需求的擔憂一直是輕質產品的驅動力。鎂合金具有輕質、高比強度、充足的資源可用性和出色的成形性的獨特組合，是滿足這些要求的可行選擇。盡管由鎂合金制成的零部件已用于個人電子產品和體育用品，但由于其多孔的非保護性天然氧化膜，它們的耐腐蝕性差，是擴大其在航空航天、國防和汽車應用中使用的最大障礙之一。在最壞的情況下，發現鎂合金的耐腐蝕性和強度呈負相關。一般來說，有兩種策略可以提高鎂合金的耐腐蝕性，第一種策略是優化化學成分和/或微觀結構以提高鎂合金的固有耐腐蝕性，第二種策略是應用耐腐蝕表面涂層以防止鎂合金與腐蝕性環境接觸。

最近，Ferry和同事通過一系列的加工操作，包括擠壓、溶解熱處理、水淬、時效，最后冷軋到70%應變，開發了具有自鈍化能力的納米結構Mg-Li合金(10.95 wt.% Li)。該納米結構允許通過氧化鋰與空氣中的二氧化碳反應形成連續的被動碳酸鋰薄膜。然而，高鋰含量使得該方法僅限于一組高成本的Mg合金;此外，強力冷軋可能不適用于具有復雜幾何形狀的鑄件，如變速箱、儀表板外殼等。表面工程是通過將金屬與外部腐蝕性環境隔離來保護工業金屬部件免受腐蝕的另一種策略。對于鎂合金，已經檢查了通過化學轉化、陽極氧化、微弧氧化、化學鍍、熱噴涂和激光熔覆等多種工藝制備的涂層，以提供鎂合金的腐蝕保護。然而，由于所得涂層的微觀結構不緊湊，所有這些處理只能部分阻塞腐蝕性介質，其中一些過程在處理過程中不可避免地會產生大量化學廢物。在這些工藝中，可以選擇陶瓷、金屬陶瓷和耐腐蝕金屬（如鎳、鎳鉻、鋁和鋁鋅）作為涂層材料。在這些金屬涂層材料中，Al及其一些合金密度低，表現出較高的抗腐蝕性能，與鎂合金的電偶腐蝕傾向和密度不匹配最低。然而，在相對較低的溫度下在鎂基合金上涂覆完全致密的Al以避免基材的機械性能惡化仍然是嚴重的。Al和AlZn涂層可以通過電弧噴涂和等離子噴涂等熱噴涂技術沉積在鎂合金上。然而，許多研究表明，固有的互連孔允許腐蝕性介質滲透到涂層中并到達涂層/基材界面。因此，噴涂涂層始終無法提供有效的腐蝕保護。錢等人采用等離子噴涂和激光重熔的方法在AZ91D鎂合金表面制備了鋁涂層。雖然激光重熔可以消除涂層內部相互連通的孔隙，完全隔離腐蝕介質。不幸的是，由于激光輸入過多的熱量，涂層/襯底界面不可避免地形成了一層脆性的金屬間層，導致襯底與涂層之間的結合斷裂。過量的熱輸入也會引起鎂合金基體的變形和組織退化，但沒有提及。在冷噴涂中，涂層是由超音速微顆粒(5-50 μ m)在固態下累積沉積而成。由于粒子是在高速撞擊下沉積下來的，它引起了塑性變形。如果顆粒的塑性變形不充分，涂層內沉積顆粒的三結點處可形成相互連通的孔隙。因此，液體腐蝕介質很容易沿著這些相互連通的孔隙滲透到涂層中，因此這種涂層不能對基底材料提供長期的腐蝕保護。對冷噴涂涂層中連通孔的去除方法提出了要求。

更重要的是，涂層工藝（如化學轉化、陽極氧化、微弧氧化、化學鍍）對耐腐蝕性的提高總是以犧牲鎂合金基材的動態機械性能為代價來實現的。 .這些涂層中的缺陷通常在動態載荷下充當裂紋成核位點。由于涂層和基材之間的硬度差異，裂紋始于涂層表面，很容易通過界面傳播到基材中。這些裂紋導致較低的疲勞強度和較短的疲勞壽命。據報道，微弧氧化（MAO）鎂合金的疲勞壽命縮短了50%。疲勞壽命的這種縮短也經常在MAO、陽極氧化或化學轉化處理的金屬（如鋼、鈦基合金和鋁合金）中得到證明。

眾所周知，表層的強度和表面壓縮殘余應力可以對更長的疲勞壽命產生積極影響。在冷噴涂中，由于固態顆粒的沖擊引起的噴丸效應，可能會在涂層的表層上形成壓縮殘余應力。同時，可以通過調整涂層材料的化學成分和微觀結構來定制涂層的強度。然而，在傳統的冷噴涂金屬材料中，例如彈性模量相對較低且屈服強度較低的Al及其合金，殘余應力通常處于10-50MPa的低水平。由于顆粒間鍵合有限，涂層的強度也低于它們的塊狀對應物。在我們之前的研究中，提出了一種原位微鍛輔助冷噴涂（MFCS）的新工藝。在此過程中，在噴涂的同時將大尺寸噴丸顆粒注入涂層層，因此涂層可以原位鍛造并通過噴丸顆粒致密化。致密的金屬涂層可以在較低的氣體消耗率（較低的氣體壓力）下制備，噴出的噴丸顆粒可以通過電磁鐵連接并重復使用。因此，MFCS工藝比傳統的冷噴涂更經濟，傳統的冷噴涂需要高壓氣體（高達5MPa）或氦氣來制備低孔隙率的涂層。MFCS工藝的有效性已在Ti，Ni和Al合金中得到證明，以制備孔隙率和附著力大大降低的涂層。由于涂層材料的塑性變形大大增強，原位鍛造效果也有可能提高涂層的壓縮殘余應力和強度。

因此，西安交通大學材料科學與工程學院李長久教授團隊等對此進行了相關的研究。本工作采用不同固有強度的高純單質Al和商用AlMgSi（AA6061 Al）合金作為涂層材料。考察了原位MF對涂層AZ31B Mg合金組織、耐腐蝕性和疲勞性能的影響。它旨在提供一種方法，以打破涂層鎂合金的耐腐蝕性和疲勞壽命之間的權衡。相關研究成果以題為“Breaking the trade off between corrosion resistance and fatigue lifetime of the coated Mg alloy through cold spraying submicron-grain Al alloy coatings”發表在Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723000129

圖1 用于腐蝕測試的MFCS純鋁涂層（a和c）和AA6061鋁涂層（b和d）的頂視圖（a和b）和橫截面（c和d）。

圖2 原位微鍛輔助冷噴涂（MFCS）工藝的工作原理及AZ6061B Mg合金基體上Al和AlMgSi（AA31 Al）涂層的顯微組織.（a）說明原位MFCS工藝工作原理的示意圖;（b）和（c） SEM 在瘋牛病模式下分別拍攝的純鋁和 AA6061 鋁涂層的橫截面;涂層/基材界面用箭頭標記。（d）和（e）粒子間邊界處的明場TEM圖像，分別用箭頭標記，分別顯示純鋁和AA6061鋁涂層中的冶金結合。（f）和（g） EBSD 取向圖（反極圖 Z 著色），分別顯示了純鋁和 AA6061 鋁涂層中具有隨機取向的等軸晶粒。（g）中的插圖顯示 AA6061 粒子的 EBSD 方向圖。

圖3 傳統CS（a和b）和MFCS（c和d）純鋁（a和c）和AA6061鋁（b和d）涂層之間的界面結構比較。（c）和（d）中的箭頭顯示了涂層和基材之間的增強互鎖。

圖4 MFCS噴涂純Al涂層（a和b）和AA6061 Al（c和d）涂層的拋光（a和c）和蝕刻（b和d）橫截面顯示了MFCS工藝中Al基顆粒的嚴重塑性應變。

圖5 MFCS純Al和AA6061 Al包覆鎂合金的防腐性能。(a) MFCS涂層鎂合金的腐蝕電流密度(icorr)顯著降低，腐蝕電位(Ecorr)顯著升高，腐蝕速率明顯降低;(b)包覆和裸態AZ31B Mg的Nyquist圖;(c)和(d)涂層鎂合金在27℃浸泡在3.5 wt.%溶液中的H2演化隨浸泡時間的變化。(e)和(f)純Al包覆AZ31B Mg在BSE模式下的掃描電鏡截面;(h)和(i) AA6061 Al包覆AZ31B Mg在BSE模式下的掃描電鏡截面;(g)和(j)純Al和AA6061 Al鍍膜鎂合金在二次電子(SE)模式下進行1000 h中性鹽霧噴涂試驗后的SEM頂表面形貌。

圖6 MFCS純Al (A、c)和AA6061 Al (b、d)涂層AZ31B鎂合金的OCP和PDP曲線比較

圖7 通過XRD、EBSD和TEM等手段證實了MFCS AA6061 Al涂層在不同尺度下的單相特征。(a) AA6061原料粉末及其涂層的XRD圖譜;還繪制了AlMgSi合金中主要析出相Mg2Si相的標準衍射峰，以證明在宏觀尺度上Mg2Si不存在;(b)由EBSD所拍攝的相位圖;(c)亮場TEM圖像和相應的選定區域電子衍射圖(d)顯示AA6061Al涂層在納米尺度上缺少第二相。

圖8 采用MFCS AlMgSi合金(AA6061 Al)涂層改善了鎂合金的疲勞壽命。(a)將拋光后的裸片、噴砂后的裸片和AA6061 Al涂層鎂合金襯底的S-N曲線進行比較，表明其疲勞壽命得到了提高。(a)中的插圖是掃描電鏡在BSE模式下拍攝的疲勞樣品的橫截面。(b)在SE模式下掃描電鏡(SEM)對光態Mg合金試樣和鋁合金涂層Mg合金拋光試樣進行140 MPa旋轉彎曲疲勞試驗后的斷口表面進行對比，顯示裂紋起裂位置的變化，(c)和(d)分別為顯微硬度和殘余應力沿深度方向的分布。

總之，本文章系統的研究了通過冷噴涂亞微米晶粒鋁合金涂層打破涂層鎂合金的耐腐蝕性和疲勞壽命之間的權衡。在這項工作中，使用一種稱為微鍛輔助冷噴涂（MFCS）的固態涂層技術來生產具有精細亞微米晶粒和相當大的壓縮殘余應力的Al合金/鎂合金異種材料層流結構。考察了涂層對鎂合金基體耐腐蝕性和疲勞行為的影響。結論可得出如下：

(1)由于亞微米范圍內的晶粒非常細化，涂層中具有相當大的壓縮殘余應力，因此完全致密的AA6061鋁合金涂層可以同時提高耐腐蝕性和疲勞壽命。

(2)涂層材料的內在強度在決定疲勞性能方面也起著重要作用。雖然純鋁涂層具有亞微米級晶粒和相當大的壓縮殘余應力，但相對較低的固有強度使得疲勞裂紋容易在涂層表面引發。高附著力使裂紋能夠迅速蔓延到基體中，因此疲勞壽命比未涂層的AZ31B Mg合金基體低。

(3)通過定制化學成分（高純度）和微觀結構（無第二相），可以實現涂層鎂合金的耐腐蝕性，甚至比涂層材料的塊狀對應物更出色。

(4)亞微晶粒相對于納米晶粒具有優越的穩定性，使得殘余應力在動載荷下保留的時間更長，從而在相對較高的應力振幅下導致更穩定的疲勞增強。