超声喷丸协同TiC颗粒复合改性层提升镁合金耐磨性能的研究

为解决镁合金耐磨性差制约其工程应用的问题，重庆大学团队创新性地将超声喷丸(USP)与TiC颗粒相结合，开发出SUSP复合表面改性技术。该研究在AZ80镁合金表面成功构建了含TiC涂层和梯度微观结构的复合改性层，使材料硬度提升至3.04 GPa，磨损率降低77.45%，为航空航天等领域轻量化部件延寿提供新技术路径。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，因其优异的比强度和阻尼性能，在航空航天、汽车制造和生物医疗领域备受青睐。然而，这类材料天生的"软肋"——耐磨性差，就像阿喀琉斯之踵般制约着其广泛应用。传统解决方案如激光熔覆(LC)易导致涂层开裂，而激光冲击强化(LSP)又面临设备成本高昂的困境。如何在保证加工效率的同时实现镁合金表面性能的全面提升，成为材料科学家们亟待破解的难题。

重庆大学机械传动国家重点实验室的研究团队独辟蹊径，将超声喷丸(USP)与碳化钛(TiC)颗粒改性相结合，开发出名为SUSP的创新工艺。这项发表在《Materials》上的研究显示，该技术能在AZ80镁合金表面同步构建TiC涂层和梯度微观结构，使材料性能获得突破性提升。

研究采用多尺度表征技术体系：通过扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析表面形貌，X射线衍射(XRD)检测相组成，电子背散射衍射(EBSD)解析微观结构演变，纳米压痕仪测试硬度梯度分布，X射线应力分析仪测定残余应力场。摩擦学测试采用球-盘往复式磨损试验机，系统评估了改性层的耐磨性能。

研究结果揭示：

1. 1.

   表面形貌：SUSP处理使表面粗糙度(R_a)降低60.94%，形成10-30μm厚的TiC涂层，其"锯齿状"截面形貌有效缓解了传统喷丸的凹凸不平问题。

2. 2.

   微观结构：梯度结构层厚度约450μm，表层晶粒尺寸细化至26.91μm，低角度晶界(LAGBs)比例达50.7%，位错密度呈梯度分布。

3. 3.

   力学性能：表层纳米硬度达3.04 GPa，较基体提升249.43%；最大残余压应力为-125.1 MPa，形成显著的应力强化层。

4. 4.

   耐磨机制：改性层使磨损率降低77.45%，通过TiC涂层减少直接接触，梯度结构抑制裂纹扩展，协同降低磨粒磨损、疲劳磨损和粘着磨损。

这项研究的突破性在于实现了"一步法"构建复合强化层，克服了传统多工序处理的效率瓶颈。特别值得注意的是，嵌入基体的TiC颗粒通过Orowan强化机制协同动态再结晶(DRX)效应，在减薄强化层厚度的同时提升力学性能。该技术为镁合金在航空发动机部件、人工骨关节等苛刻工况下的应用提供了新思路，其工艺原理也可拓展至其他轻合金的表面改性领域。研究团队指出，未来通过优化TiC粒径分布和喷丸参数，有望进一步延长涂层的服役寿命，推动镁合金在极端环境下的工程应用。