几十年来，对全球气候变化、化石能源危机风险以及对更高能效的需求的担忧一直是轻质产品的驱动力。镁合金具有轻质、高比强度、充足的资源可用性和出色的成形性的独特组合，是满足这些要求的可行选择。尽管由镁合金制成的零部件已用于个人电子产品和体育用品，但由于其多孔的非保护性天然氧化膜，它们的耐腐蚀性差，是扩大其在航空航天、国防和汽车应用中使用的最大障碍之一。在最坏的情况下，发现镁合金的耐腐蚀性和强度呈负相关。一般来说，有两种策略可以提高镁合金的耐腐蚀性，第一种策略是优化化学成分和/或微观结构以提高镁合金的固有耐腐蚀性，第二种策略是应用耐腐蚀表面涂层以防止镁合金与腐蚀性环境接触。

最近，Ferry和同事通过一系列的加工操作，包括挤压、溶解热处理、水淬、时效，最后冷轧到70%应变，开发了具有自钝化能力的纳米结构Mg-Li合金(10.95 wt.% Li)。该纳米结构允许通过氧化锂与空气中的二氧化碳反应形成连续的被动碳酸锂薄膜。然而，高锂含量使得该方法仅限于一组高成本的Mg合金;此外，强力冷轧可能不适用于具有复杂几何形状的铸件，如变速箱、仪表板外壳等。表面工程是通过将金属与外部腐蚀性环境隔离来保护工业金属部件免受腐蚀的另一种策略。对于镁合金，已经检查了通过化学转化、阳极氧化、微弧氧化、化学镀、热喷涂和激光熔覆等多种工艺制备的涂层，以提供镁合金的腐蚀保护。然而，由于所得涂层的微观结构不紧凑，所有这些处理只能部分阻塞腐蚀性介质，其中一些过程在处理过程中不可避免地会产生大量化学废物。在这些工艺中，可以选择陶瓷、金属陶瓷和耐腐蚀金属（如镍、镍铬、铝和铝锌）作为涂层材料。在这些金属涂层材料中，Al及其一些合金密度低，表现出较高的抗腐蚀性能，与镁合金的电偶腐蚀倾向和密度不匹配最低。然而，在相对较低的温度下在镁基合金上涂覆完全致密的Al以避免基材的机械性能恶化仍然是严重的。Al和AlZn涂层可以通过电弧喷涂和等离子喷涂等热喷涂技术沉积在镁合金上。然而，许多研究表明，固有的互连孔允许腐蚀性介质渗透到涂层中并到达涂层/基材界面。因此，喷涂涂层始终无法提供有效的腐蚀保护。钱等人采用等离子喷涂和激光重熔的方法在AZ91D镁合金表面制备了铝涂层。虽然激光重熔可以消除涂层内部相互连通的孔隙，完全隔离腐蚀介质。不幸的是，由于激光输入过多的热量，涂层/衬底界面不可避免地形成了一层脆性的金属间层，导致衬底与涂层之间的结合断裂。过量的热输入也会引起镁合金基体的变形和组织退化，但没有提及。在冷喷涂中，涂层是由超音速微颗粒(5-50 μ m)在固态下累积沉积而成。由于粒子是在高速撞击下沉积下来的，它引起了塑性变形。如果颗粒的塑性变形不充分，涂层内沉积颗粒的三结点处可形成相互连通的孔隙。因此，液体腐蚀介质很容易沿着这些相互连通的孔隙渗透到涂层中，因此这种涂层不能对基底材料提供长期的腐蚀保护。对冷喷涂涂层中连通孔的去除方法提出了要求。

更重要的是，涂层工艺（如化学转化、阳极氧化、微弧氧化、化学镀）对耐腐蚀性的提高总是以牺牲镁合金基材的动态机械性能为代价来实现的。 .这些涂层中的缺陷通常在动态载荷下充当裂纹成核位点。由于涂层和基材之间的硬度差异，裂纹始于涂层表面，很容易通过界面传播到基材中。这些裂纹导致较低的疲劳强度和较短的疲劳寿命。据报道，微弧氧化（MAO）镁合金的疲劳寿命缩短了50%。疲劳寿命的这种缩短也经常在MAO、阳极氧化或化学转化处理的金属（如钢、钛基合金和铝合金）中得到证明。

众所周知，表层的强度和表面压缩残余应力可以对更长的疲劳寿命产生积极影响。在冷喷涂中，由于固态颗粒的冲击引起的喷丸效应，可能会在涂层的表层上形成压缩残余应力。同时，可以通过调整涂层材料的化学成分和微观结构来定制涂层的强度。然而，在传统的冷喷涂金属材料中，例如弹性模量相对较低且屈服强度较低的Al及其合金，残余应力通常处于10-50MPa的低水平。由于颗粒间键合有限，涂层的强度也低于它们的块状对应物。在我们之前的研究中，提出了一种原位微锻辅助冷喷涂（MFCS）的新工艺。在此过程中，在喷涂的同时将大尺寸喷丸颗粒注入涂层层，因此涂层可以原位锻造并通过喷丸颗粒致密化。致密的金属涂层可以在较低的气体消耗率（较低的气体压力）下制备，喷出的喷丸颗粒可以通过电磁铁连接并重复使用。因此，MFCS工艺比传统的冷喷涂更经济，传统的冷喷涂需要高压气体（高达5MPa）或氦气来制备低孔隙率的涂层。MFCS工艺的有效性已在Ti，Ni和Al合金中得到证明，以制备孔隙率和附着力大大降低的涂层。由于涂层材料的塑性变形大大增强，原位锻造效果也有可能提高涂层的压缩残余应力和强度。

因此，西安交通大学材料科学与工程学院李长久教授团队等对此进行了相关的研究。本工作采用不同固有强度的高纯单质Al和商用AlMgSi（AA6061 Al）合金作为涂层材料。考察了原位MF对涂层AZ31B Mg合金组织、耐腐蚀性和疲劳性能的影响。它旨在提供一种方法，以打破涂层镁合金的耐腐蚀性和疲劳寿命之间的权衡。相关研究成果以题为“Breaking the trade off between corrosion resistance and fatigue lifetime of the coated Mg alloy through cold spraying submicron-grain Al alloy coatings”发表在Journal of Magnesium and Alloys上。

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

图1 用于腐蚀测试的MFCS纯铝涂层（a和c）和AA6061铝涂层（b和d）的顶视图（a和b）和横截面（c和d）。

图2 原位微锻辅助冷喷涂（MFCS）工艺的工作原理及AZ6061B Mg合金基体上Al和AlMgSi（AA31 Al）涂层的显微组织.（a）说明原位MFCS工艺工作原理的示意图;（b）和（c） SEM 在疯牛病模式下分别拍摄的纯铝和 AA6061 铝涂层的横截面;涂层/基材界面用箭头标记。（d）和（e）粒子间边界处的明场TEM图像，分别用箭头标记，分别显示纯铝和AA6061铝涂层中的冶金结合。（f）和（g） EBSD 取向图（反极图 Z 着色），分别显示了纯铝和 AA6061 铝涂层中具有随机取向的等轴晶粒。（g）中的插图显示 AA6061 粒子的 EBSD 方向图。

图3 传统CS（a和b）和MFCS（c和d）纯铝（a和c）和AA6061铝（b和d）涂层之间的界面结构比较。（c）和（d）中的箭头显示了涂层和基材之间的增强互锁。

图4 MFCS喷涂纯Al涂层（a和b）和AA6061 Al（c和d）涂层的抛光（a和c）和蚀刻（b和d）横截面显示了MFCS工艺中Al基颗粒的严重塑性应变。

图5 MFCS纯Al和AA6061 Al包覆镁合金的防腐性能。(a) MFCS涂层镁合金的腐蚀电流密度(icorr)显著降低，腐蚀电位(Ecorr)显著升高，腐蚀速率明显降低;(b)包覆和裸态AZ31B Mg的Nyquist图;(c)和(d)涂层镁合金在27℃浸泡在3.5 wt.%溶液中的H2演化随浸泡时间的变化。(e)和(f)纯Al包覆AZ31B Mg在BSE模式下的扫描电镜截面;(h)和(i) AA6061 Al包覆AZ31B Mg在BSE模式下的扫描电镜截面;(g)和(j)纯Al和AA6061 Al镀膜镁合金在二次电子(SE)模式下进行1000 h中性盐雾喷涂试验后的SEM顶表面形貌。

图6 MFCS纯Al (A、c)和AA6061 Al (b、d)涂层AZ31B镁合金的OCP和PDP曲线比较

图7 通过XRD、EBSD和TEM等手段证实了MFCS AA6061 Al涂层在不同尺度下的单相特征。(a) AA6061原料粉末及其涂层的XRD图谱;还绘制了AlMgSi合金中主要析出相Mg2Si相的标准衍射峰，以证明在宏观尺度上Mg2Si不存在;(b)由EBSD所拍摄的相位图;(c)亮场TEM图像和相应的选定区域电子衍射图(d)显示AA6061Al涂层在纳米尺度上缺少第二相。

图8 采用MFCS AlMgSi合金(AA6061 Al)涂层改善了镁合金的疲劳寿命。(a)将抛光后的裸片、喷砂后的裸片和AA6061 Al涂层镁合金衬底的S-N曲线进行比较，表明其疲劳寿命得到了提高。(a)中的插图是扫描电镜在BSE模式下拍摄的疲劳样品的横截面。(b)在SE模式下扫描电镜(SEM)对光态Mg合金试样和铝合金涂层Mg合金抛光试样进行140 MPa旋转弯曲疲劳试验后的断口表面进行对比，显示裂纹起裂位置的变化，(c)和(d)分别为显微硬度和残余应力沿深度方向的分布。

总之，本文章系统的研究了通过冷喷涂亚微米晶粒铝合金涂层打破涂层镁合金的耐腐蚀性和疲劳寿命之间的权衡。在这项工作中，使用一种称为微锻辅助冷喷涂（MFCS）的固态涂层技术来生产具有精细亚微米晶粒和相当大的压缩残余应力的Al合金/镁合金异种材料层流结构。考察了涂层对镁合金基体耐腐蚀性和疲劳行为的影响。结论可得出如下：

(1)由于亚微米范围内的晶粒非常细化，涂层中具有相当大的压缩残余应力，因此完全致密的AA6061铝合金涂层可以同时提高耐腐蚀性和疲劳寿命。

(2)涂层材料的内在强度在决定疲劳性能方面也起着重要作用。虽然纯铝涂层具有亚微米级晶粒和相当大的压缩残余应力，但相对较低的固有强度使得疲劳裂纹容易在涂层表面引发。高附着力使裂纹能够迅速蔓延到基体中，因此疲劳寿命比未涂层的AZ31B Mg合金基体低。

(3)通过定制化学成分（高纯度）和微观结构（无第二相），可以实现涂层镁合金的耐腐蚀性，甚至比涂层材料的块状对应物更出色。

(4)亚微晶粒相对于纳米晶粒具有优越的稳定性，使得残余应力在动载荷下保留的时间更长，从而在相对较高的应力振幅下导致更稳定的疲劳增强。