镁及镁合金作为目前最轻的金属结构材料，具有广泛的应用前景。但是镁合金耐蚀性和表面耐磨性较差。对镁合金进行表面处理是改善镁合金耐蚀性和耐磨性最常见的方式之一，热喷涂技术可以为各种功能性材料提供涂层以改善其性能，具有广泛的应用潜力，但一般需要复杂的预处理以确保基体和涂层的良好结合。冷喷涂技术作为一种相对较新的喷涂技术工艺，可以避免形成有毒有害物质，是一种环境友好型喷涂技术。此外，冷喷涂工艺可以对配件进行修复和翻新，提升配件的使用寿命，实现配件的循环使用，具有巨大的应用前景。

最近，美国University of Nevada的Mohammadreza Daroonparvar博士和伊朗Islamic Azad University的Hamid Reza Bakhsheshi-Rad教授等人综述了应用于镁合金涂层工艺的主要工业方法。聚焦于热喷涂和冷喷涂技术，介绍了两种方法的主要技术特点、应用领域和瓶颈。鉴于冷喷涂技术在3D打印涂层和结构性关键部件的修复方面的应用前景，详细阐述了用于镁合金表面处理、修复和翻新的最新冷喷涂技术和存在的问题。基于文献的综述，作者对这一研究领域的现状进行了总结和展望，提出了冷喷涂技术的研发方向和应用场景。

热喷涂技术与应用

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。在进行热喷涂工艺前，由于基体表面具有强的氧化性，通常需要对基体进行复杂的预处理以确保基体和涂层的良好结合。热喷涂层主要包括陶瓷涂层、金属和合金涂层、以及复合涂层。其中，陶瓷和无机涂层是由氧化物、磷酸盐和硅酸盐组成，形成一个惰性表面避免镁合金表面与外部环境的直接接触，并且可以有效的提高镁合金基体的硬度、磨损和耐蚀性能。金属和合金涂层通常被用来保护活性金属基体，惰性金属粉末可以被喷涂到镁合金表面，提供惰性涂层。据报道冷压铝涂层作为一种腐蚀屏障可有效地改善镁合金的耐蚀性，且不受基体成分影响。同样，复合涂层也被证明可有效地改善镁合金的耐蚀性。为了进一步改善涂层与镁合金基体间的结合性，一些后处理工艺如激光熔覆等被用来进一步优化涂层对合金基体的保护作用。而多层混合涂层可以进一步提升这些性能甚至改变主要的磨损机理。

冷喷涂技术在3D打印和增材制造涂层方面的应用

热喷涂技术通常需要复杂的预处理以确保基体和涂层的良好结合，限制了热喷涂工艺的应用。冷喷涂工艺作为一种新兴的喷涂技术，是利用动能来沉积涂层，而不是像热喷涂工艺需利用动能和热能的组合，可以最大限度地减少热缺陷，包括相变、孔隙率、氧化、晶粒长大和拉伸残余应力。此外，冷喷涂工艺也可用于异种金属连接和镁合金的结构修复，并且在冷喷涂过程中不会出现有毒烟雾或其他有害物质，是一种环境友好型的工艺。在冷喷涂工艺中，涂层和镁合金基材之间可以形成良好的界面结合（即涂层/基体界面的机械互锁和/或冶金结合）。这主要归功于粉末颗粒的高速冲击，使得涂层致密化，可以去除基体表面（或沉积层下面）的氧化膜。因此，冷喷涂技术可以为镁合金的表面保护、增强提供一种有效的方法。通常在冷喷涂工艺前需要对镁及其合金进行表面处理，最常见的方法主要包括（1）采用SiC砂纸进行表面处理，通过这种方法可以得到粗糙度为0.5 μm的表面；（2）采用喷砂处理，通过这种方法可以得到粗糙度为5 μm左右的表面。喷砂处理可以避免氧化物的形成和/或污垢在粗化表面的沉积，使得涂层在基体表面展现出更高的粘结强度。冷喷涂工艺涂层的形成及性能受到许多因素的影响，如粉末的成分和形态、冷喷涂工艺参数及后处理等。冷喷涂涂层的耐蚀性及机械性能主要受到涂层特性如孔隙率、微观结构、粗糙度等的影响，因此，要获得具有优异性能的涂层，需要对冷喷涂工艺的参数等进行有效地优化。一般来说，孔隙度越小、涂层厚度越厚的涂层展现出更为优异的耐蚀性能。涂层材料也会显著影响合金基体的腐蚀行为，一般贵金属元素涂层（非牺牲阳极涂层）由于其标准还原势高于镁合金的标准还原势，可以对镁合金起到屏障保护作用。但是一旦腐蚀性溶液通过涂层渗入合金基体，保护作用会被立即破坏，涂层作为阴极，合金基体作为阳极，形成电偶腐蚀，因此应尽可能的减少涂层的缺陷和孔隙率。特别地，原位微锻或喷丸强化结合冷喷涂工艺已被广泛的用于生产紧凑型冷喷涂层/沉积物：使用原位微锻或喷丸结合的冷喷涂工艺可以实现镁合金表面完全紧凑的镍、钛、铝等涂层，具有显著的长期的耐蚀保护作用。

冷喷涂过程中的两个主要结合机制是冶金结合（颗粒间的边界或涂层与基体间的纳米级化学反应）和机械互锁（粉末颗粒在冷喷涂过程中被机械地嵌入或沉积在涂层或基体材料中），这两种结合机制保证了涂层与基体的粘结性以及安全性。通常情况下，冷喷涂涂层可以很好地改善镁合金的机械性能以及摩擦力学性能，其主要原因是涂层材料固有的高硬度以及冷喷涂沉积而存在的残余应力。对于性能较弱的涂层则可以进一步采用复合涂层、退火、阳极氧化及等离子体电解沉积等后处理工艺强化性能。特别地，冷喷涂可以通过加工受损区域并通过研磨或喷砂进行表面处理来修复或修补部件，实现部件的循环利用。

冷喷涂技术在表面改性、修复和重组方面的应用

冷喷涂工艺处理后的镁合金显示出更好的整体的耐蚀性，即使在腐蚀性溶液中浸泡较长时间，紧凑型冷喷涂涂层也显示出对镁合金的优异保护性能。冷喷涂的惰性金属（如Ti）可以大大改善镁合金的耐点蚀性，并极大地提高了钝化膜层在含氯电解质中的再钝化能力。在镁合金上沉积冷喷涂层，在机械和耐磨性能方面也有显著的优势。一般来说，与Mg合金基体相比，Mg合金上的冷喷涂层提高了合金的硬度，并降低了磨损率。多层涂层可以降低磨损率，延长使用寿命，具有更好的耐蚀性和其他表面特性。当使用不正确的工艺参数和形成应力集中区，如孔隙率，腐蚀和磨损率会增加。如果涂层损坏或开裂，电解液会渗透到涂层中，形成松散的腐蚀坑，作为应力升高和断裂的起始点，减少疲劳寿命。镁合金多功能涂层尚没突破局部腐蚀的瓶颈问题，在服役过程中的机械完整性还有待加强，尚需在高附着力、低孔隙率、机械性能和耐蚀性方面进一步提升。 

综上所述，进一步优化喷涂参数对于成功制备具有高耐蚀性和高机械性能的涂层是必须的。对基体具有强大附着力的冷喷涂料，如用于修复结构部件的裂缝，可以将负载和应力转移到涂层/部件的新表面，远离修复的界面，增加抗疲劳裂缝的能力。尽管已经开发了各种镁合金的物理屏障涂层，如金属基涂层、金属氢氧化物和氢钙矿涂层、金属氧化物涂层和硅烷溶胶凝胶涂层，但这些涂层之间保护特性的差异并不十分清楚。未来的研究应包括系统和长期的比较和评估，以确定每种涂层的优点和缺点。电化学腐蚀是限制有效屏障涂层保护镁合金的主要挑战。因此，开发与Mg合金具有更小的标准还原电位差，低腐蚀率和高抗点腐蚀能力的涂层材料非常重要，且需利用组合策略来强化镁合金的各种应用。

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2022年第10卷第8期：

[1] Mohammadreza Daroonparvar*, Hamid Reza Bakhsheshi-Rad*, Abbas Saberi, Mahmood Razzaghi, Ashish K Kasar, Seeram Ramakrishna, Pradeep L. Menezes, Manoranjan Misra, Ahmad Fauzi Ismail, Safian Shariff, Filippo Berto, Surface modification of magnesium alloys using thermal and solid-state cold spray processes: Challenges and latest progresses [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2022, 10(8): 2025-2061.

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镁及镁合金作为最轻的结构金属，其潜在的工程应用已使其成为研究热点。然而，较差的耐蚀性和耐磨性限制了它们的广泛应用。表面处理是用来改善基体表面特性最常用的技术之一。许多方法已被用于镁及镁合金的表面处理，以改善其耐蚀性和耐磨性。其中，热喷涂技术可以用于沉积部分功能性金属、陶瓷、金属陶瓷或其它适合特定条件的涂层的方法，在生物医学和工业应用方面具有巨大的应用潜力。本文阐释了一种相对较新的热喷涂层技术，即冷喷涂方法。冷喷涂方法利用动能生成涂层，而非如高速氧燃气喷涂方法需利用热能和动能的组合来生成涂层。此外，冷喷涂工艺作为一种革新技术，能够以更快的周转时间进行修复和翻新。且冷喷涂工艺不需处理其他修复工艺中的热应力问题，如焊接或其他使用高温火焰的热喷涂工艺产生的热应力。本文回顾了最新设计的应用于镁合金的涂层（主要用于工业应用）。基于冷喷涂技术在3D打印涂层和结构性关键部件的修复方面的利用率越来越高，本文详细讨论了用于镁合金表面处理、修复和翻新的最新冷喷涂技术，以及它们各自的优势和劣势，并对这一研究领域的现状进行了简要总结和展望。

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Potential engineering applications of magnesium (Mg) and Mg-based alloys, as the lightest structural metal, have made them a popular subject of study. However, the inferior corrosion and wear characteristics significantly limit their application range. It is widely recognized that surface treatment is the most commonly utilized technique for remarkably improving a substrate's surface characteristics. Numerous methods have been introduced for the surface treatment of Mg and Mg-based alloys to improve their corrosion behavior and tribological performance. Among these, thermal spray (TS) technology provides several methods for deposition of various functional metallic, ceramic, cermet, or other coatings tailored to particular conditions. Recent researches have shown the tremendous potential for thermal spray coated Mg alloys for biomedical and industrial applications. In this context, the cold spray (CS) method, as a comparatively new TS coating technique, can generate the coating layer using kinetic energy rather than combined thermal and kinetic energies, like the high-velocity oxy-fuel (HVOF) spray method. Moreover, the CS process, as a revolutionary method, is able to repair and refurbish with a faster turnaround time; it also provides solutions that do not require dealing with the thermal stresses that are part of the other repair processes, such as welding or other TS processes using a high-temperature flame. In this review paper, the recently designed coatings that are specifically applied to Mg alloys (primarily for industrial applications) employing various coating processes are reviewed. Because of the increased utilization of CS technology for both 3D printed (additively manufactured) coatings and repair of structurally critical components, the most recent CS methods for the surface treatment, repair, and refurbishment of Mg alloys as well as their benefits and restrictions are then discussed and reviewed in detail. Lastly, the prospects of this field of study are briefly discussed, along with a summary of the presented work.