摩擦搅拌加工对AZ91镁合金微观结构演变及空化腐蚀行为的影响

《Surfaces and Interfaces》：Impact of friction stir processing on microstructure evolution and cavitation erosion behavior of AZ91 magnesium alloy

本研究采用摩擦搅拌加工技术优化AZ91镁合金表面性能，通过对比分析发现FSP处理能细化晶粒并消除铸造缺陷，显著提升合金的空化腐蚀抗力（CE率降低20%），但会降低点蚀腐蚀抗力。实验表明氯离子浓度对两种处理合金的CE损伤影响较小，微观结构演变改变了CE机制。

　　镁合金因其轻质、高强度和高刚度的特性，成为轻量化工程的理想材料，特别是在交通运输和航空航天领域。这些材料的广泛应用使其成为现代工业中不可或缺的一部分。然而，镁合金也存在一些固有的缺陷，例如硬度较低、化学反应性强以及耐腐蚀性差，这些限制了其在更广泛场景中的应用。因此，提升镁合金的表面性能，特别是其抗空蚀和耐腐蚀能力，成为科研人员关注的重点。

本研究采用摩擦搅拌加工（FSP）技术对铸造态AZ91镁合金进行处理，以改善其表面性能并提高抗空蚀能力。FSP作为一种先进的表面改性技术，能够细化晶粒、均匀分布第二相粒子，并消除铸造过程中产生的缺陷，从而显著提升材料的机械和腐蚀性能。研究过程中，通过超声空蚀测试仪和电化学测试系统，对铸造态和FSP处理后的AZ91镁合金进行了空蚀侵蚀（CE）、腐蚀以及空蚀与腐蚀相互作用（CE-C）行为的系统研究。此外，还分析了不同氯离子浓度对两种材料在人工海水中的CE-C行为的影响。

实验采用的是厚度为7毫米的铸造态AZ91镁合金板，其化学成分包括8.31%的铝、0.77%的锌、0.29%的锰，其余为镁。FSP加工使用的是钴基工具，工具的凹肩直径为20毫米，螺纹针的直径由4毫米逐渐增加到5毫米，长度为5.8毫米。通过扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜（LM）对材料的微观结构和表面形貌进行了分析，以评估FSP处理对材料内部结构演变的影响。结果显示，FSP处理后，材料的晶粒显著细化，第二相粒子分布更加均匀，铸造缺陷如气孔和裂纹也被有效消除。这些结构变化不仅提升了材料的硬度和机械性能，也增强了其在空蚀和腐蚀环境下的稳定性。

在空蚀测试中，铸造态和FSP处理后的样品表现出不同的空蚀速率。铸造态样品的空蚀速率约为10 mg·h?1，而FSP处理后的样品空蚀速率降低至约8 mg·h?1。这表明FSP处理在一定程度上有效抑制了空蚀侵蚀的发生。然而，研究还发现，FSP处理虽然提升了材料的硬度和空蚀抗性，但其晶界密度的增加反而降低了样品的点蚀抗性。这一现象可能与晶界处的化学活性增加有关，使得腐蚀更容易在这些区域发生。

值得注意的是，无论氯离子浓度如何变化，两种样品的空蚀损伤程度均未发生显著改变，这表明空蚀侵蚀在腐蚀环境中的影响相对独立。同时，不同溶液中的空蚀速率变化也较为相似，进一步说明FSP处理对材料的空蚀抗性具有较好的提升效果。此外，研究还通过CE机制图示，展示了FSP处理如何改变材料的空蚀机制。这种机制的改变可能涉及材料表面结构的重构，使得空蚀侵蚀的路径和强度发生变化。

研究的另一个重要发现是，FSP处理对材料的腐蚀行为也有积极影响。在3.5 wt.%的氯化钠溶液中，FSP处理后的样品表现出更高的耐腐蚀性，这主要归因于其表面形成的致密β相层，有助于稳定被动膜，从而减少腐蚀的发生。此外，FSP处理还提高了材料的均匀性和微观硬度，进一步增强了其在复杂环境下的性能表现。

在实验方法方面，除了传统的空蚀测试和电化学测试外，研究还采用了SEM和LM等微观分析手段，以全面了解材料的微观结构变化。这些分析手段为研究提供了直观的证据，证明了FSP处理对材料性能的改善效果。同时，研究还探讨了FSP处理对材料表面形貌和微观结构的影响，以及这些变化如何进一步影响其空蚀和腐蚀行为。

研究的结论表明，FSP技术在提升镁合金的抗空蚀和耐腐蚀能力方面具有显著优势。通过消除铸造缺陷、细化晶粒以及均匀分布第二相粒子，FSP处理有效改善了材料的表面性能，使其更适合应用于腐蚀和空蚀环境下的工程场景。此外，研究还强调了FSP处理在提高材料综合性能方面的潜力，特别是在轻量化材料在海洋工程中的应用方面。这些发现为未来的材料研发和工程应用提供了重要的理论支持和实践指导。

本研究的作者团队在项目实施过程中各司其职，Pu Guo负责原始撰写、数据整理和实验调查，Ying Lian参与了实验方法的设计和实施，Mengran Zhou负责资金获取和方法研究，Ru Zhang参与了实验调查，Qingyu Shi负责论文的审阅和编辑，Yang Li则负责数据整理、资金获取、论文审阅和编辑、项目监督以及整体管理。这些贡献使得研究得以顺利进行并取得有意义的成果。

研究的经费来源包括多项国家和地方资助项目，如国家自然科学基金（Grant No. 51705125、52305385和U23A20541）、河北省自然科学基金（Grant No. E2020402005）、辽宁航空发动机材料摩擦学重点实验室基金（Grant No. LKLAMTF202104）、河北省教育厅科技研究项目（Grant No. QN2017030）以及邯郸市科学技术局科技研发项目等。这些资金支持为实验的开展提供了必要的资源和条件，使得研究能够深入进行并取得全面的成果。

在研究过程中，作者团队还特别关注了空蚀与腐蚀相互作用的机制。通过系统的实验分析和理论探讨，研究揭示了这两种现象之间的相互影响，以及FSP处理如何改变这种相互作用。这些发现不仅有助于理解镁合金在复杂环境下的行为，也为未来的材料设计和工程应用提供了新的思路和方向。

总的来说，本研究通过FSP技术对AZ91镁合金进行了系统的改性处理，提升了其表面性能，特别是在抗空蚀和耐腐蚀方面。研究结果表明，FSP处理能够有效改善材料的微观结构，从而提高其在不同环境下的综合性能。这些成果为镁合金在海洋工程和航空航天等领域的应用提供了重要的理论依据和技术支持。未来，随着对FSP技术的进一步研究和应用，镁合金的性能有望得到更全面的提升，从而拓展其在更多工程场景中的应用潜力。