《Surface and Coatings Technology》：One-step high-temperature steam-reformed Mg(OH)
2 coating toward enhancing wear resistance of AZ31 magnesium alloys
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镁合金表面改性研究中，通过高温高压蒸汽气固反应法制备Mg(OH)?涂层，在150℃时获得均匀致密涂层（厚度17μm，粗糙度0.358μm），摩擦系数和磨损率分别降低60%和96%，显著优于传统液固反应工艺，其强化、润滑和缓冲机制经微观结构分析证实。
邓敏贤|刘静|李国猛|李坤茂|朱振龙|张秀华|张宇|何宇轩
贵州师范大学材料与建筑工程学院，中国贵州贵阳，550025
摘要
为了提高镁合金的耐磨性，本研究提出了一种新的方法，利用高温高压蒸汽作为反应介质，在简化的一步气固反应过程中在AZ31镁合金表面制备Mg(OH)2改性的涂层。在150?°C的改性温度下，获得了厚度较大且表面粗糙度较低的分层Mg(OH)2涂层。与其他温度下形成的涂层相比，该涂层具有最高的表面纳米硬度、H/E比和H3/E2比，同时具有优异的耐腐蚀性和耐磨性。与原始样品相比，氢气释放量减少了93.85%。平均摩擦系数和磨损率分别降低到0.12和4.30?×?10?5?mm3/N·m，降幅分别为60.00%和96.06%，这些性能均超过了以往报道的任何涂层。基于详细的微观结构和表面性能分析，讨论了耐磨性提高的机制。这种改进的性能主要归因于Mg(OH)2涂层的增强、润滑和缓冲作用。这项工作为提高镁合金的耐磨性提供了一种创新且有效的方法，拓宽了其在需要高耐磨性环境中的应用前景。
引言
镁合金具有多种优异的性能，如高比强度、高弹性模量和良好的阻尼能力，使其成为非常有前景的轻质结构金属[1]，[2]。它们已广泛应用于航空航天、汽车、3C（计算机、通信和消费电子）、生物医学和能源相关领域[3]，[4]，[5]，[6]。然而，由于其较低的硬度和有限的应变硬化能力，镁合金的耐磨性不足[7]，[8]。此外，镁本身较差的耐腐蚀性（电位为-2.37?V）进一步限制了其更广泛的应用[9]，[10]。
表面改性被认为是提高镁合金耐磨性和耐腐蚀性的有效方法[11]，[12]。常用的技术包括微弧氧化（MAO）[13]，[14]、电化学沉积[15]、电镀[16]和化学转化方法[17]，[18]。微弧氧化因其成本效益而被广泛采用；但所得涂层通常具有较高的孔隙率、松散性和裂纹，从而影响表面质量。化学气相沉积具有高精度和可控性，但其应用受到零件几何形状的限制，且涂层附着力相对较弱。电镀虽然被广泛采用，但能耗高且会造成环境污染，此外涂层附着力弱，限制了耐磨性的提高。
水热处理（HT）作为一种化学转化涂层技术，是一种高效且经济的方法，可用于在镁合金表面制备氢氧化物/氧化物混合涂层。通过HT制备的涂层通常具有较低的位错密度、较少的缺陷、高均匀性以及对基底的强附着力[19]。许多研究单独或结合MAO使用HT在镁合金表面开发了各种涂层，例如MgAl层状双氢氧化物（LDH）、磷酸镁钾（MKP）、掺石墨的MAO-HT复合涂层以及插层CI@LDH-MAO复合涂层[20]，[21]，[22]，[23]，[24]。这些涂层显著提高了镁合金的耐磨性和耐腐蚀性。尽管HT涂层可以同时提高耐腐蚀性和降低摩擦系数及磨损率，但仍存在一些挑战。由于镁的高化学反应性和过量反应物的存在，高温下的反应速率难以控制，反应程度强烈依赖于温度和时间；因此通常需要较长的反应时间。此外，涂层厚度和密度之间存在权衡，控制不当甚至可能带来安全隐患。另外，通过HT制备的Mg(OH)?涂层依赖于液固反应来控制其形态和厚度。这种反应过程通常会产生由松散堆叠的Mg(OH)?层片组成的不均匀涂层，其中常见孔隙区域和微裂纹[25]，[26]，[27]，[28]，[29]。涂层形态受HT参数（包括反应温度、时间和反应物浓度）的显著影响。虽然较高的温度和较长的反应时间可以部分改善Mg(OH)?相的结晶度，但消除内在的孔隙性仍然具有挑战性。
本研究提出了一种新的涂层制备方法，称为高温蒸汽改性（HTSR），以替代传统的水热处理（HT）。该方法使用高温高压蒸汽作为反应介质，将HT中的传统液固反应转化为一步气固反应。这种转变使得对涂层形成的控制更加有效，从而获得均匀致密的Mg(OH)?涂层。此外，通过限制反应物用量和采用较高的反应温度，该方法同时缩短了反应时间并防止了失控反应。使用这种方法制备的Mg(OH)?涂层具有良好的表面特性和优异的耐腐蚀性。此外，它代表了迄今为止报道的此类涂层中最佳的耐磨性能，显示出显著的进步。通过全面的微观结构表征，讨论了磨损机制，阐明了涂层对摩擦行为的影响。这项工作不仅提出了一种有效提高镁合金耐磨性的策略，还为工业应用中开发低成本和可控的耐磨保护解决方案提供了宝贵的见解。该方法特别适用于需要在磨损和腐蚀耦合条件下进行轻量化设计和操作的承重结构部件，如汽车零件、3C电子结构部件、航空航天轻量化部件和生物医学设备。
材料
本研究使用的材料是AZ31镁合金，其化学组成为2.5?wt% Al、0.8?wt% Zn、0.4?wt% Mn，其余为Mg。样品有两种尺寸：用于磨损测试的?30 mm?×?7?mm和用于腐蚀测试的?10 mm?×?5?mm。在涂层处理之前，样品在真空管炉中以400?°C的温度退火10?h，以确保微观结构的均匀性并消除机械加工引起的缺陷，随后用120–2000目的SiC磨料纸进行研磨。
表面形态和粗糙度
图2(a)显示了AZ31镁合金改性处理前后的表面形态，图2(b)展示了相应的平均表面粗糙度（Ra）值。原始样品的粗糙度为0.012?μm。在140?°C和150?°C的改性处理后，表面粗糙度略有增加。然而，当改性温度升高到160?°C和170?°C时，表面粗糙度显著增加。
讨论
上述结果表明，涂有改性层的AZ31镁合金表现出优异的耐磨性。特别是在150?°C下处理的样品，其摩擦系数和磨损率分别降低了60.00%和96.06%，优于原始样品。原因总结如下：
结论
本研究利用高温高压蒸汽在AZ31镁合金表面制备Mg(OH)2涂层，实现了优异的耐磨性和耐腐蚀性。主要发现总结如下：
- (1)
在150?°C的改性温度下，涂层均匀覆盖了镁合金表面，厚度为17?μm，表面粗糙度为0.358?μm。与其他温度下制备的涂层相比，该涂层达到了
作者贡献声明
邓敏贤：撰写——原始稿件、研究、资金获取、数据分析。刘静：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取。李国猛：撰写——原始稿件、监督、研究、数据分析、数据管理。李坤茂：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取。朱振龙：撰写——审稿与编辑、验证。张秀华：验证、监督。张宇：验证。何宇轩：监督。
利益冲突声明
作者声明与本研究的发表无关任何利益冲突。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52401084）、贵州省科学技术基金（项目编号：Qiankehejichu ZK[2024]-442）、贵州省研究生教育创新计划（项目编号：2024YJSKYJJ144）、贵州省科技规划项目（项目编号：Qian Ke He Foundation-[2024]Youth 355）以及贵州师范大学资助的博士研究项目（项目编号：GZNUD[2024]03）的支持。
