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由于在性能和资源方面有无可比拟的优势，诸如高的比强度、高的导热率、高的阻尼性能和良好的电磁屏蔽特性、良好的可加工性，且易于回收等优点，镁合金已经开始用于汽车、电器、航空航天、通讯、手持工具和体育用品等领域，被认为将是部分取代钢铁材料和铝合金材料的最佳绿色工程材料之一。但镁的化学活性高、耐磨耐蚀性能差，以及涂覆难等制约了镁合金更大规模的推广应用。所以，在冶金控制和新型合金开发取得决定性进展前，通过在镁合金表面改性提高其耐磨耐蚀性能，是当前业界最重要的课题之一。
Al2O3陶瓷涂层具有耐磨耐蚀等优势。本文针对AZ31镁合金现有镀层工艺技术所面临的环境污染、涂覆工艺复杂、耐磨性能差等问题进行了镁合金表面纳米陶瓷涂层的试验研究。通过试验分析和数值模拟，提出了测试计算镁合金表面纳米陶瓷涂层界面结合性能（断裂韧性）和分析其裂纹扩展方式的方法，进而研究开发出了一种界面结合力强、表面防护效果好、环境友好的镁合金表面纳米陶瓷涂层的制备技术并发展了界面分析方法。论文取得的主要成果如下:
1、选择环境友好的磁控溅射法制备了纳米Al2O3陶瓷涂层，研究了磁控溅射温度、溅射功率、溅射时间对纳米陶瓷涂层晶粒大小和涂层厚度的影响。结果表明:1）溅射功率和溅射温度对晶粒尺寸和厚度的影响相对较大，溅射时间对于镁合金表面陶瓷涂层的晶粒尺寸和厚度的影响相对较小。影响陶瓷涂层晶粒尺寸和厚度的工艺参数从强到弱为溅射功率、溅射温度和溅射时间;在镁合金表面获得较小晶粒尺寸和较薄涂层厚度纳米陶瓷涂层的最佳工艺参数为:80℃、160W、2h。采用本工艺技术，成功地在AZ31镁合金表面获得了纳米陶瓷涂层;2）研究获得的纳米陶瓷涂层主要为6-Al2O3，高温下会有少量的α-Al2O3产生;涂层中Al2O3颗粒呈球形或椭球形，膜层致密均匀，未见明显孔洞;涂层晶粒尺寸约为40-50nm、涂层厚度约600-700nm，薄膜型氧化铝陶瓷涂层的纳米微晶结构有利于改善陶瓷的脆性，且与镁合金基体保持良好的界面结合。
2、对镁合金表面纳米陶瓷涂层的界面特性进行了系统的研究。计算讨论了镁合金表面纳米陶瓷涂层的显微硬度、杨氏模量和界面断裂韧性，获得了陶瓷涂层界面断裂韧性的定量分析指标。结果表明:1）镁合金表面陶瓷涂层的表面硬度随测试载荷增大而下降;在镁合金表面形成了细小致密、结合良好的纳米陶瓷涂层，其表层硬度从基体767MPa提高为1360MPa，提高了77.31％。2）在镁合金表面形成的致密纳米陶瓷涂层中呈现海绵状的结构，有利于卸载能量和弹性变形。纳米陶瓷涂层杨氏模量从基体35.57GPa提高为59.91GPa，提高了40.63％。3）纳米陶瓷涂层与镁合金基体结合十分良好，且相互交融，几乎无法看到明显的界面。测量和计算发现，镁合金表面纳米陶瓷涂层的界面断裂韧性值为4.53MPa.m1/2，比近年文献报道的值更高。
3、对镁合金表面纳米陶瓷涂层的界面裂纹扩展进行了模拟研究。基于裂纹萌生和扩展机理，利用Anysis软件建立了涂层/基体系统的数理模型，进行了静应力计算和裂纹扩展分析。结合电镜观察，讨论了镁合金表面纳米陶瓷涂层的裂纹扩张方式和影响因素，获得了陶瓷涂层界面断裂和裂纹扩展的定量分析指标:1）不同厚度的镁合金表面纳米陶瓷涂层界面裂纹扩展的扩张角约为45度，裂纹扩张尺寸约为0.55μm;2）载荷和初始裂纹是影响界面裂纹扩展的两大重要因素，对于不同初始裂纹尺寸，达到裂纹失稳时的裂纹面积大致相等;初始裂纹椭圆半径越大，裂纹扩展寿命越短;裂纹深度对扩展寿命的影响大于裂纹宽度。
4、对镁合金表面纳米陶瓷涂层进行了腐蚀和磨檫磨损对比试验。结果证明镁合金在纳米陶瓷涂层的保护下，耐蚀性能和耐磨性能得到了大幅度的提高:1）AZ31镁合金表面沉积纳米Al2O3陶瓷涂层后，在3.5wt.％NaCl溶液中腐蚀电位-1.618V提高到了-1.022V，腐蚀电流密度从2.009×10-4A/cm2下降至1.363×107A/cm2;2)AZ31镁合金表面沉积纳米Al2O3陶瓷涂层后，摩擦系数从0.24下降到了0.12，磨痕从841μm窄化为272μm。