镁合金因其低密度、高比强度在航空航天和汽车工业中具有广泛应用前景。然而，其低表面硬度和较差的耐磨性严重制约了其在运动部件中的应用，传统表面改性技术存在膜基结合弱、涂层不均等问题。基于此，内蒙古工业大学曹四龙/陈芙蓉团队联合兰州化学物理研究所在《Tribology International》发表最新研究，采用激光熔覆与超声冲击复合工艺，在AZ91D镁合金表面成功构建了梯度纳米异质结构，实现了硬度提升130%、磨损率降低61.7%的显著效果，为解决镁合金耐磨性差的瓶颈问题提供了新的技术途径。 

一、梯度结构设计与微观机理 

研究团队通过优化激光熔覆和超声冲击的工艺参数，在AZ91D镁合金表面构建了具有四层结构的梯度纳米异质组织。表层为厚度约194μm的纳米晶区，平均晶粒尺寸细化至约6nm；随后是柱状晶区（194-395μm）和回复微米晶区（395-600μm），最终过渡到基体材料。激光熔覆预处理在表面形成细小的等轴晶和柱状晶，为后续超声冲击提供了理想的初始组织。

而超声冲击处理不仅进一步细化了表层晶粒，还引入了残余压应力，有效抵消了激光处理产生的拉应力。随后通过TEM分析了纳米晶的形成机理，在激光熔覆与超声冲击的协同作用下，材料通过形变孪晶分割粗大晶粒，同时高位错密度促进亚晶界转变为大角度晶界，最终实现表面纳米化，是材料性能提升的根本原因。  

图1 纳米晶的形成机制：（a）M样品；（b）L样品；（c）LU样品；（d）原始晶体；（e）LM和USSP后的晶粒；（f）LM和USSP后的晶粒

；（g1）孪晶位错；（g2）亚晶形成；（g3)动态再结晶；（h1）晶界位错堵塞；（h2）亚晶形成；（h3）具有小角度晶界旋转的亚晶 

二、力学性能的跨越式提升 

性能测试结果显示，复合处理试样的表面显微硬度达到170.4±7.4 HV₀.₂，较基体材料的74.2±6.1 HV₀.₂提高了130%。更为重要的是，这种强化效果沿深度方向呈现理想的梯度分布，在距表面250μm深处仍保持133±4.6 HV的硬度值，比单一超声冲击处理的试样高出48.3%。此外，纳米压痕测试进一步证实，复合处理试样的纳米硬度为1.61±0.25 GPa，弹性模量为47.65±4.1 GPa，其H³/E²比值最高，表明复合处理试样具有最优的抗塑性变形能力。综上所述，梯度纳米异质结构通过晶界强化、位错强化和应变梯度效应的协同作用，同时提高了材料的强度和韧性，这是传统单一强化方法难以实现的。 

图2 所有样品的显微硬度结果：（a）截面显微硬度；（b）表面显微硬度 

三、摩擦性能的改善与机理 

在不同载荷条件下的摩擦磨损测试表明，复合处理试样展现出优异的减摩耐磨特性。在20N载荷下，摩擦系数稳定在0.210，比基体材料降低14.0%；磨损率更是显著降低61.7%，达到2.02×10⁻⁴ mm³N⁻¹m⁻¹。同时，对磨损表面的分析表明，基体材料主要表现为严重的磨粒磨损、粘着磨损和剥层磨损，而复合处理试样仅表现出轻微的磨粒磨损特征，磨损表面平整光滑，无明显裂纹和剥落现象。 

图3 M、L、U和LU试件的摩擦因数分别为：（a）10N；（b）20N；（c）30N；（d）不同载荷下的磨损率 

随后，通过EDS分析发现，其磨屑中氧含量高达32.96 wt%，远高于基体材料的17.33 wt%，表明在摩擦过程中表面形成了连续的MgO润滑膜，不仅减少了金属间的直接接触，其本身也具有较低的摩擦系数，从而实现了‘自润滑’效果。与此同时，亚表层的梯度纳米结构通过抑制微裂纹的萌生和扩展，有效延缓了剥层磨损的发生。这种表面润滑与亚表层强化的协同作用，是材料耐磨性显著提升的关键。  

图4 20N处磨粒的SEM和EDS分析：（a）M样品；（b）L样品；（c）U样品；(D)LU样品 

四、应用前景 

该研究开发的激光熔覆-超声冲击复合处理技术，为解决镁合金耐磨性差的共性难题提供了新的解决方案。同时该研究成果不仅适用于AZ91D镁合金，还可推广至其他镁合金体系，在航空航天、汽车制造、电子通讯等领域具有广阔的应用前景。