空化喷丸强化镁合金AZ80表面性能的机理与优化研究

本研究针对镁合金AZ80表面强度不足的问题，通过空化喷丸(CP)技术系统探究了扫描次数对表面粗糙度(Ra/Rz)、显微硬度(HV0.05 )和残余应力(σRS )的影响。发现5次扫描(CP-5)可实现最优压缩残余应力(-220 MPa)，而过度扫描(CP-20)会因孪晶形成导致应力松弛。该研究为空化喷丸工艺参数优化提供了关键理论依据，对航空航天轻量化部件表面强化具有重要指导意义。

　　

镁合金因其轻量化特性在航空航天和生物医疗领域备受青睐，但表面强度不足、耐腐蚀性差等缺陷严重制约其应用。传统喷丸强化虽能提升性能，却存在过度处理导致应力松弛的难题。日本东北大学与斯洛文尼亚研究人员合作，在《Materials》发表研究，通过空化喷丸(CP)技术对人工时效处理的AZ80镁合金进行表面强化，揭示了扫描次数与材料性能的非线性关系。

研究采用水浸式空化喷丸系统，设置1-20次扫描(CP-1至CP-20)，结合光学显微镜、电子背散射衍射(EBSD)和盲孔法残余应力测试等关键技术。通过控制喷嘴直径(2 mm)和压力(30 MPa)，系统分析表面形貌、硬度梯度与微观结构演变。

3.1 表面粗糙度
空化喷丸使表面粗糙度呈指数增长：CP-20的Ra达5.6 μm（较基线0.2 μm提升28倍），Rz增至27.9 μm。高能冲击波导致凹坑加深，但适度处理(CP-5)的疲劳性能仍可通过加工硬化和残余应力提升抵消粗糙度负面影响。

3.2 显微硬度
硬度随扫描次数增加而提升，CP-20表面硬度达112 HV_0.05
（基线80 HV_0.05
），硬化层深度达1130 μm。梯度分析显示，CP-1至CP-5的硬度梯度稳定在270-330 MPa/mm，表明前期处理效率更高。

3.3 残余应力
CP-5产生最大表面压缩应力(-220 MPa)，但CP-20骤降至-20 MPa。EBSD证实该现象与{10-12}延伸孪晶(86°取向差)的爆发相关：孪晶数量从CP-5的2个/区域激增至CP-20的15个，通过晶格重构释放应力。

3.4 微观结构
XRD显示α_Mg
相峰宽化，证实塑性变形。TEM观察到(01-1-1)孪晶面，说明空化冲击诱发剪切应力超过临界值(CRSS)。IPF图谱显示孪晶集中分布于距表面350 μm范围内，与残余应力松弛区高度吻合。

该研究首次阐明空化喷丸诱发镁合金孪晶的阈值效应：5次扫描为优化节点，既可最大化残余应力，又避免孪晶导致的应力松弛。这对指导航空发动机壳体、可降解骨钉等关键部件的表面工程具有双重意义：既可通过参数调控获得理想力学性能，又为开发新型抗孪晶镁合金提供理论靶点。未来研究可结合激光喷丸(LSP)探索复合强化路径，进一步拓展镁合金在极端环境下的应用边界。