《Surface and Coatings Technology》：Synergistic enhancement of corrosion resistance in LZ91 Mg-Li alloys via ultrasonic surface rolling process and micro-arc oxidation
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双相Mg-Li合金表面超声强化与微弧氧化协同处理显著提升耐腐蚀性，通过减少粗糙度、引入残余压应力及形成致密陶瓷涂层实现。中文摘要：
郝 张 | 孙 文革 | 刘 道新 | 杨志强 | 李月阳 | 周 凯 | 张 宇 | 叶 昌 | 郭 清川 | 李 生熙 | 张小华
西北工业大学民航学院，中国陕西省西安市，710072
摘要
双相镁锂合金（如LZ91）具有优异的轻质特性和高比强度，使其在航空航天和汽车领域具有巨大潜力。然而，由于其较差的耐腐蚀性，其广泛应用受到严重限制。为了解决这一问题，本文提出了一种结合超声波表面滚压（USRP）和微弧氧化（MAO）的协同表面改性策略。系统研究表明，USRP预处理通过降低表面粗糙度并引入压应力显著提高了表面完整性，而随后的MAO处理形成了主要由MgSiO3和MgO组成的致密陶瓷涂层（厚度约为15微米）。这种联合处理方法使涂层附着力提高了20.3%，孔隙率降低了63.1%，并且比仅采用MAO处理的样品具有更好的耐腐蚀性。微观结构分析表明，USRP诱导的晶粒细化和位错积累有助于形成均匀的MAO层，从而增强了对裂纹扩展和氯离子渗透的抵抗力。本研究展示了一种可扩展的方法来提高镁锂合金的耐腐蚀性，为其在航空航天和汽车行业的应用提供了可行的策略。
引言
镁锂（Mg-Li）合金因其极低的密度和高比强度而成为现代工程应用中的关键轻质结构材料[1]、[2]。单相镁锂合金通常具有有限的延展性和机械强度，而像LZ91这样的双相合金同时包含α-Mg（hcp）和β-Li（bcc）相以及金属间化合物（例如MgLi2Zn、MgLiZn），表现出更好的机械性能[3]。然而，这种相共存导致了显著的电化学势差异，使得合金在含氯环境中特别容易发生电偶腐蚀[4]。此外，镁和锂元素本身的高化学反应性进一步降低了合金的耐腐蚀性[5]。
目前提高镁锂合金耐腐蚀性的方法主要分为两类。添加铝或稀土金属等元素的合金化方法可以增强耐腐蚀性，但往往会导致密度增加和延展性降低[6]。更重要的是，这些合金化元素可能形成富铝的金属间化合物，通过电偶作用加速镁基体的腐蚀[7]。另一种表面改性技术——微弧氧化（MAO）或等离子体电解氧化（PEO）通过在合金表面直接生成陶瓷氧化层，提供了更有前景的解决方案[8]。尽管MAO涂层通过形成致密氧化层显著提高了耐腐蚀性，但它们通常存在高孔隙率和附着力差的问题，这限制了其在腐蚀环境中的有效性[9]、[10]。这些固有的局限性常常导致局部腐蚀和涂层过早失效，尤其是在双相镁锂合金中，由于锂的高反应性和相异性，这在以往针对该合金系统的MAO研究中较少受到关注。
最近的表面工程研究表明，使用表面剧烈塑性变形（SSPD）技术（如喷丸[11]和激光冲击强化[12]）可以通过改变表面特性和细化微观结构来显著提高MAO涂层的性能[13]。在这些SSPD技术中，超声波表面滚压（USRP）因其能够结合静压和超声波振动，从而产生压应力、细化晶粒和光滑表面而显得特别有前景[14]、[15]。对Ti-6Al-4V合金的研究表明，USRP可以引起表面纳米化并形成压应力场，使PEO涂层更加致密，同时抑制疲劳裂纹的形成和扩展[16]、[17]。Wei等人[18]对AZ31B镁合金的研究发现，USRP预处理通过降低孔隙率、提高附着力和增强耐腐蚀性显著改善了MAO涂层的质量。尽管取得了这些进展，但将SSPD预处理（如USRP）与MAO结合的研究在镁合金中仍然很少，尤其是在双相镁锂体系LZ91中更是如此。因此，尚未系统探讨USRP诱导的微观结构变化与后续MAO涂层形成之间的协同机制。
因此，本研究旨在通过系统研究USRP和MAO对LZ91镁锂合金表面完整性和耐腐蚀性的单独及联合影响来填补这一研究空白。通过包括重量损失测量、电化学分析、微观结构表征和腐蚀形态评估在内的综合测试，阐明了USRP在提高MAO涂层性能中的作用。这些结果有望为理解协同腐蚀防护机制提供关键见解，并为提高镁锂合金在航空航天和汽车等苛刻应用中的耐久性提供一种可扩展的、工业上可行的策略。
材料
材料
本研究使用的LZ91镁锂合金板由中国铝业郑州有色金属研究院提供。通过光学显微镜观察了LZ91合金板的初始微观结构特征，其表面和截面形态如图1所示。表1列出了合金的详细化学成分，表2总结了其主要机械性能。所有未经进一步处理的样品在
表面形貌演变
通过扫描电子显微镜（SEM，用于观察形貌）和激光共聚焦显微镜（用于观察3D形貌）研究了LZ91合金在USRP处理下的表面形貌演变。如图3a（BM，基材）所示，初始表面有明显的机械加工痕迹，粗糙度（Ra）为1.45微米（图3c）。经过9次USRP处理（UR9，图3b）后，SEM形貌显示出机械加工不规则性显著减少，粗糙度降至最佳值0.37微米（减少了74.5%）；即使经过12次处理（UR12），粗糙度
双相LZ91合金的腐蚀机制
LZ91合金的双相微观结构由α（富镁）相和β（富锂）相组成，这两种相的合金元素分布不均匀，从而产生了电化学势差异，促进了电偶腐蚀。如图20所示，浸入3.5 wt% NaCl溶液后的腐蚀示意图显示了两个主要区域。区域A的腐蚀主要发生在富含Zn的相周围，这是由于这些相与周围基体之间的电位差引起的
结论
本研究证实，顺序进行的USRP-MAO处理对提高双相LZ91镁锂合金的耐腐蚀性具有显著的协同效应，这归因于两种处理的互补作用，共同减轻了合金的固有腐蚀脆弱性。
未经处理的LZ91合金在富含Zn的区域和α/β相界面处由于微电偶作用而发生严重腐蚀，同时锂的溶解也导致了不完全的钝化。USRP预处理优化了
作者贡献声明
郝 张：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念构思。
孙 文革：撰写——初稿、可视化、研究、数据分析。
刘 道新：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论。
杨志强：撰写——审稿与编辑
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的研究结果。
致谢
本工作得到了陕西省自然科学基础研究计划（2022JQ-399）、重庆市自然科学基金（cstc2021jcyj-msxmX0596）和中央高校基本科研业务费（D5000210507）的支持。
