综述：表面纳米化对镁及其合金微观结构、力学性能和耐腐蚀性的影响：综述性探讨

《Journal of Magnesium and Alloys》：Effect of surface nanocrystallization on microstructure, mechanical property and corrosion resistance of Mg and its alloys: A perspective review

镁合金表面自纳米晶化技术通过物理或化学方法形成纳米晶层，显著提高耐腐蚀性及力学性能，相关处理方法包括表面机械 attrition 处理（SMAT）、高能射流冲击强化（HESP）、超声表面轧制（USRP）等。纳米晶化通过细化表面晶粒（20-100 nm）、形成梯度结构及残余压应力层，有效抑制裂纹扩展并增强腐蚀防护能力。不同方法在晶粒尺寸、变形层深度及表面粗糙度上存在差异，SMAT可达到1500 μm深层变形，而LSP因能量密度限制变形层较浅。研究还指出铁颗粒吸附、晶界取向及缺陷密度等对腐蚀行为的影响机制。未来需优化多参数协同效应及建立工艺-性能预测模型。

　　镁合金作为一种密度最低的金属结构材料，因其在多个工业领域中的广泛应用而备受关注，包括电子通信、汽车、航空、国防和军事等。尽管镁合金具有诸多优势，但在潮湿环境中作为关键结构材料时，其易受点蚀或应力腐蚀的影响，从而导致腐蚀疲劳、应力腐蚀开裂甚至完全腐蚀失效。这种腐蚀性限制了其在更广泛的应用场景中的潜力。为了解决这些缺点，表面自纳米晶化（SSNC）技术被提出，通过细化晶粒形成纳米表面层，以延缓或缓解裂纹的起始与扩展，从而显著提升其耐腐蚀性能。本文旨在回顾各种表面自纳米晶化技术对镁合金微观结构和性能的影响，系统总结表面纳米晶化引发的微观结构演变机制及其对耐腐蚀性能的影响因素，并探讨当前挑战与未来发展方向。

镁合金的耐腐蚀性是其应用中的一大难题。腐蚀通常是由材料与环境中的化学物质（如水和氧气）之间的物理和化学反应引起的。镁合金在空气中自然形成氧化层，但这种氧化层往往不能有效保护基体材料，使其易受腐蚀。研究发现，镁合金的氧化层通常具有三层结构，包括表面的多孔结构、脆性以及较高的腐蚀敏感性。中间层厚度约为20-40纳米，密度高于内层，而外层则为1.8-2.2微米厚的层状结构，主要由无定形的Mg(OH)?和MgO颗粒组成。这种结构的不稳定性导致镁合金在腐蚀环境中表现不佳，尤其是在海洋环境和含氯离子的介质中，点蚀腐蚀尤为严重，导致材料性能的急剧下降。

为了提升镁合金的耐腐蚀性，研究者们探索了多种表面处理技术。其中，表面机械冲击处理（SMAT）是一种有效的方法，通过高速钢球或颗粒对材料表面进行重复冲击，引发剧烈的塑性变形，从而在表面形成纳米晶结构。SMAT处理后的镁合金表现出显著的硬度提升，例如，AZ91D镁合金在SMAT处理后，其表面晶粒尺寸减小至30纳米，变形层厚度可达1500微米，硬度提高了约100%。此外，研究还发现，SMAT处理后，镁合金的晶粒尺寸与处理钢球的直径存在相关性，钢球直径越大，晶粒尺寸越小，腐蚀性能也相应提升。然而，SMAT处理也可能导致表面粗糙度增加，这可能对材料的表面性能产生负面影响。

除了SMAT，其他表面处理技术，如高能喷丸处理（HESP）、超声波表面滚压处理（USRP）、激光冲击喷丸（LSP）和超音速粒子轰击（SPB）等，也显示出改善镁合金耐腐蚀性的潜力。例如，HESP处理AZ31B镁合金后，其表面晶粒尺寸减小至42纳米，变形层深度达到200微米，硬度提升了约141%。USRP处理后，镁合金的晶粒尺寸减小至2-7微米，变形层深度达到600微米，腐蚀性能显著改善。LSP处理后，AZ31B镁合金的晶粒尺寸减小至15.7纳米，其腐蚀电位显著提升，腐蚀电流密度降低了85.4%。这些处理技术通过在材料表面引入纳米晶结构，不仅提升了材料的硬度和强度，还增强了其耐腐蚀性。

然而，这些表面处理技术在提升镁合金性能的同时，也带来了一些挑战。例如，表面粗糙度的增加可能会导致腐蚀速率的提高，而残余压缩应力虽然能够抑制裂纹的扩展，但并非决定性因素。此外，铁（Fe）等杂质的聚集可能形成强烈的阴极，加剧镁合金的电化学腐蚀。因此，如何在提升性能的同时减少这些不利因素的影响，是当前研究的重要方向。

表面自纳米晶化技术的未来发展需要在多个方面进行优化。首先，应进一步探索不同处理参数对纳米晶结构的影响，例如处理时间、压力、粒子直径等，以实现对材料性能的精准调控。其次，需开发更高效的表面处理方法，以在不增加表面粗糙度的前提下实现纳米晶结构的形成。此外，还需关注纳米晶结构的稳定性，特别是在高温和复杂环境下的表现。同时，结合先进的分析技术，如原位分析和三维表征，可以更准确地理解纳米晶化过程中材料的微观结构演变及其对腐蚀性能的影响。

综上所述，表面自纳米晶化技术为镁合金的性能提升提供了新的思路。通过细化晶粒和改变表面粗糙度，这些技术能够显著改善镁合金的机械性能和耐腐蚀性。然而，为了实现更广泛的应用，仍需克服诸多技术挑战，包括处理参数的优化、表面结构的均匀性、以及如何减少杂质和缺陷对腐蚀性能的不利影响。未来的研究应更加注重多学科交叉，结合材料科学、化学工程和工程力学等领域的知识，推动镁合金表面自纳米晶化技术的进一步发展和应用。