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超声空化处理对MnCu合金表面形貌、微观结构和力学性能的影响研究表明，处理时间通过促进位错堆积和马氏体相变诱导孪晶协同作用改变表面特性，15分钟处理使腐蚀电流密度降低两个数量级，但超过25分钟后表面硬度下降且腐蚀防护减弱。
赵俊贤|刘海霞|吕鹏|邹浩宇|季建飞
江苏大学材料科学与工程学院，镇江212013，中国
摘要
本研究旨在表征和阐明MnCu合金对超声空化处理的响应。探讨了处理时间对测试样品表面形态、微观结构和力学性能的影响。结果表明，随着空化效应的累积，处理样品的表面层中出现了位错积累和孪晶生长，导致相变从面心立方（fcc）马氏体转变为面心四方（fct）马氏体。表面粗糙度和质量损失均随处理时间的增加而增加。经过15分钟的空化处理后，腐蚀电流密度降低了两个数量级。随着空化处理的进一步进行，空化侵蚀加剧，孪晶形成和马氏体转变的效果减弱，导致表面显微硬度和耐腐蚀性下降。超声空化处理通过位错强化、相变诱导的孪晶形成和能量耗散的协同机制影响MnCu合金的表面性能。
引言
MnCu合金因其独特的阻尼性能和力学性能，在航空航天、海洋和高端设备制造等工程领域受到了关注[[1], [2], [3], [4]]。其高阻尼能力源于内部孪晶界或相界的运动，通过面心立方（fcc）到面心四方（fct）的马氏体转变有效耗散振动能量[5,6]。因此，MnCu合金是理想的振动阻尼和降噪材料[7,8]。然而，随着工业环境复杂性的增加，传统MnCu合金的性能局限性变得明显，这需要技术创新以进一步扩大其工程应用[[9], [10], [11], [12]]。具体而言，MnCu合金在恶劣环境中的耐腐蚀性和耐磨性较低。在高湿度、高盐度或涉及腐蚀性介质的场合，MnCu合金容易发生点蚀和磨损，从而增加材料失效的风险[13,14]。此外，传统的表面改性技术（如电镀或喷涂）存在结合力弱和环保性差的问题，难以提升MnCu合金的整体性能[15,16]。
超声空化处理由于其独特的非热效应和高可控性，在表面改性方面展现出巨大潜力[17,18]。此外，这种技术环保，因为它依赖于物理过程，不会产生有害副产品。空化气泡破裂产生的瞬态高压（>100 MPa）能够对浸没在液体介质中的样品进行微尺度表面改性[19,20]。此外，该技术还有效细化了基于Cu、Al和Mg的合金的晶粒结构，同时提高了这些材料的表面硬度和耐腐蚀性[21,22]。然而，MnCu合金的超声空化处理尚未得到广泛应用，其表面、微观结构和力学性能对超声空化处理的响应也尚未得到研究。
本研究旨在解释超声空化处理对MnCu合金微观结构和力学性能的影响。实验中使用了蒸馏水作为液体介质，建立了MnCu合金的超声空化处理装置，并改变了超声空化处理时间以研究MnCu合金性能的变化。对微观结构和力学性能进行了全面比较，讨论了MnCu合金在超声空化处理下的强化和磨损机制。所得结论有望揭示MnCu合金对超声空化处理的响应，并为提高其性能提供参考。
材料与实验装置
本研究中使用的MnCu合金由江苏天启新材料应用研究院有限公司制备。采用线切割技术制备了尺寸为Φ15 mm × 5.0 mm的圆柱形MnCu合金样品，先用800–3000# SiC砂纸抛光，再使用1.0 μm金刚石喷砂进行精抛光。随后，将样品在无水乙醇中超声清洗15分钟。腐蚀测试使用特定的腐蚀剂进行。
表面微观结构
如图2所示，原始MnCu合金样品具有典型的树枝状表面形态，这是通过扫描电子显微镜（SEM）观察到的。通过对不同表面区域进行点扫描，发现成分存在显著差异。树枝状结构的形成主要归因于Mn和Cu熔点的差异。在凝固过程中，首先析出的Mn优先形成富Mn相
表面硬度
MnCu合金的微观结构与其表面性能密切相关。特别是，样品的表面硬度随微观结构的变化而变化。测试样品的表面显微硬度变化如图9(a)所示。初始表面显微硬度约为147.3 HV。经过15分钟的超声空化处理后，显微硬度增加到204.9 HV，相比原始样品增加了39.1%。通过综合分析
表面改性机制
在超声空化处理下，MnCu合金样品的表面微观结构发生了显著变化。如图11所示，可以清晰地识别出五个特征阶段。在第一阶段，空化气泡破裂释放的机械能导致晶粒内部的滑移，引起微塑性变形、晶格旋转以及晶体取向的变化。在这个阶段，分布稀疏且均匀的位错结构出现
结论
- (1)
超声空化处理诱导了MnCu合金的马氏体转变。在超声空化处理的后期阶段，形成了孪晶，这些孪晶吸收了空化气泡破裂产生的能量并发生松弛，导致马氏体孪晶数量减少。经过25分钟的处理后，衍射峰强度下降。
- (2)
随着空化处理的进行，晶格畸变逐渐减弱，这与
作者贡献声明
赵俊贤：撰写 – 原稿撰写、可视化、实验研究。刘海霞：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学设计、实验研究、资金申请、概念构思。吕鹏：数据验证、实验研究、数据分析。邹浩宇：实验研究、数据分析、数据管理。季建飞：资源协调、实验研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号52175410和52311540154）的财政支持。作者还感谢江苏省先进金属结构材料与装备技术协同创新中心提供的微观结构观察仪器以及对实验方法验证的指导。
