镁合金复合材料通过合理设计可发挥出增强相与金属基体各自的性能优势，并具备单个材料难以达到的特殊性能，如高比强度、比刚度，而受到广泛关注，在众多工程领域具有广阔的应用前景。但是，在镁合金基体中添加增强相过程产生的表界面会导致金属基体的腐蚀敏感性增加，具有较高的腐蚀倾向。通过适当的表面处理可较大程度上提高材料在腐蚀环境中的耐蚀性能。从环境保护角度考虑，等离子体电解氧化技术（通常应用于轻质金属及阀金属）可作为一种绿色环保的表面处理方式应用于镁合金复合材料的表面保护，同时还可提高材料表面的耐磨性等。但由于其中增强相通常并不适用与等离子体电解氧化处理，所以制备成分均匀且性能良好的膜层受到了不同因素的影响，且就增强相是否参与成膜具有一定争议，因此有必要对镁合金复合材料的等离子体电解氧化进行深入研究。

最近，德国亥姆霍兹联合会Hereon材料及海岸研究中心的Mikhail Zheludkevich教授课题组的博士研究生伍婷、Carsten Blawert博士等人通过对比纯镁合金与镁合金氧化铝增强复合材料的等离子体电解氧化过程及膜层性能，研究了氧化铝纤维增强相在氧化过程中的变化。主要通过运用高分辨率同步辐射XRD，研究了氧化膜层在厚度方向上的成分变化及分布情况。研究结果表明，由于氧化铝纤维在氧化初期仅被膜层覆盖，并未参与成膜反应。当氧化电压升至特定阈值时，氧化铝纤维开始参与成膜，与MgO发生烧结反应，生成具有耐蚀性能的MgAl₂O₄尖晶石。这一工作加深了不同基体成分在等离子体电解氧化过程中氧化行为的理解。

本文首先研究了AZ91Nd/Al₂O₃镁合金复合材料在等离子体电解氧化过程中表面形貌及成分随氧化时间的变化，结果如图1所示。在氧化的最初15秒（图1(a)），仅基体表面发生了阳极溶解与沉积。随着氧化时间增长至30秒（图1(b)），基体表面出现了放电微孔，表明等离子体放电已经发生。但此时仍可以观察到Al-Nd金属间化合物的形貌，且氧化铝纤维稳定存在。氧化时间增长至60秒（图1(c)），基体表面被典型的等离子体电解氧化膜层覆盖，分布着大量的放电微孔。且此时氧化铝纤维也已经被完全覆盖，仅可通过放电微孔分布识别出未参与成膜反应的氧化铝纤维。进一步延长氧化时间，膜层表面变得更加均匀。

图 1 不同氧化时间下AZ91Nd/Al₂O₃表面形貌与成膜元素分布

图2通过对膜层截面分析，研究了单个氧化铝纤维在膜层厚度方向上的变化。结果表明，在膜层与基体界面处，氧化铝纤维未参与任何成膜反应，且破化了膜层在界面处的连续性。沿着膜层厚度方向靠近膜层表面处观察，可观察到Al元素分布不断发生扩散，面积远大于单个氧化铝纤维的截面积。因此可判断氧化铝纤维在靠近膜层表面处参与了成膜反应。

图 2氧化铝纤维在膜层厚度方向上的变化

为进一步理解氧化铝纤维参与成膜反应的机理，本文应用了高分辨率同步辐射XRD研究了膜层的相组成及膜层厚度方向上相成分的分布及变化。如图3所示，X射线通过在水平和垂直方向上的步进扫描对膜层截面的相组成进行了分析。获得了扫描区域面积为80 µm × 80 µm的相成分分布情况。其中每个扫描点测试了该点处的X射线衍射谱。

图 3 高分辨同步辐射XRD测试示意图

膜层组成相在厚度方向上的分布情况如图4所示。通过对比可发现明显的膜层与基体界面。AZ91Nd/Al₂O₃镁合金复合材料的等离子体电解氧化膜层包含了MgAl₂O₄尖晶石，Mg₃(PO₄)₂以及MgO。其中MgAl₂O₄尖晶石的强度最高，表明其为膜层的主要组成相。鉴于镁合金基体中的Al含量较低，氧化铝纤维是提供Al的唯一来源，因此，MgAl₂O₄尖晶石的形成主要依靠氧化铝纤维参与。且MgAl₂O₄尖晶石在膜层靠近表面处强度最高，发生积聚，可判断其形成依赖于氧化过程中剧烈的放电行为，因此由于在等离子体放电中产生的高温是导致氧化铝纤维与MgO发生烧结反应形成MgAl₂O₄尖晶石的主要原因。

图 4主要膜层形成相成分在膜层厚度方向上的分布

综上所述，本研究利用等离子体电解氧化技术在AZ91Nd/Al₂O₃镁合金复合材料上制备了成分及形貌均匀的陶瓷膜。发现在氧化过程中，氧化铝纤维对成膜过程具有显著的影响。此外，氧化铝纤维参与了成膜过程，使得膜层具有不同与纯合金基体的成分及微观结构。通过等离子体电解氧化处理，可制备具有较高耐蚀性能的MgAl₂O₄尖晶石。因此通过金属基复合材料中强化相引入新的膜层成分可作为一种对电解液添加剂的有效替代，扩展等离子体电解氧化处理在金属基复合材料上的应用，实现多功能膜层的开发。