在表面机械研磨(surface mechanical attrition treatment，SMAT)过程中，弹丸冲击金属表面，在高应变速率、重复变形作用下，可在金属表面制备一定厚度的纳米晶层，表层存在高体积分数的非平衡晶界、高密度位错、空位等大量的晶体缺陷，为元素的快速扩散提供理想通道。机械合金化(Mechanical Alloying，MA)则通过高能球磨使粉体经受反复的变形、冷焊和破碎发生扩散和固态反应，实现两种或多种元素的合金化。本论文结合SMAT和MA的工艺特点，通过在SMAT过程中添加粉体，在弹丸不断冲击试样表面过程中同步实现材料表面的纳米化和元素扩散合金化，在基材表面原位生成金属间化合物。　　 本文在纯镁及AZ91D基体SMAT过程中分别添加Ni粉、Ni3Al粉和Al粉，利用金相显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪、电化学工作站等分析测试方法，对处理不同时间后材料的组织结构、形貌、物相组成、硬度和耐蚀性等进行分析，从热力学方面对元素在基体中的扩散行为、合金化机理进行了讨论和计算。　　 得到以下主要结论:　　 (1)在纯镁SMAT过程中添加Ni粉，研磨处理120min，在纯镁表面形成平均厚度约70μm的镍层，次表层形成平均厚度约30μm的镁镍合金层，合金相主要由Mg2Ni金属间化合物组成，晶粒细化和金属间化合物的形成使合金层的显微硬度较基体显著提高，但晶界的增多和Mg2Ni相的形成使材料的耐腐蚀性降低。　　 (2)在AZ91D、纯镁SMAT过程中加入Ni3Al粉，研磨处理240min，在纯镁表面形成由Mg2Ni相组成的平均厚度约36μm的合金层，在AZ91D表面形成由Al2Mg和Mg2Ni混合相组成的平均厚度约35μm的合金层，处理后材料的硬度均有不同程度的提高，耐腐蚀性有所降低。　　 (3)在纯镁SMAT过程中添加铝粉及加入Zn和AlCl3/NaCl熔盐辅助渗剂后，SMAT时间从120min延长至加入辅助渗剂后的180min、300min，在纯镁表面没有形成连续的镁铝扩散层，大部分铝只是压延于镁基体表面，只有极少部分的铝和基体焊合，材料表面焊合反应部位在低温环境下(360℃)可以实现铝在基体中的深度扩散。　　 (4)合金相的形成机制为:“表面纳米化+同步扩散传质”，即在晶粒细化、晶界和各种缺陷（空位、位错）增多的同时，进行元素的扩散。在SMAT过程中，高体积分数的晶界和缺陷为元素的短路扩散提供通道，高能撞击不断出现新的界面，加快了渗剂与基体的焊合和扩散，材料吸收撞击能量，高的应变能降低了体系的反应激活能和原子迁移能垒，弹丸碰撞产热和反应热，使材料表面温度升高，加快了原子的扩散，促进了新相的形成。　　 (5)采用铝粉及加入辅助渗剂没有形成连续的镁铝扩散的原因为:在弹丸的高速多反向冲击作用下，铝粉发生了团聚，被碾压成片状，难以镶嵌于镁基体，缺少形成渗层的渗剂元素;锌粉的加入可以使铝粉不再粘接成片状，但不能使材料表面铝含量增加;AlCl3/NaCl可以大幅增加材料表面的铝的含量，但SMAT处理300min铝元素未发生扩散，熔盐处理后材料的耐腐蚀性提高。　　 (6)热力学分析表明，SMAT过程降低了元素的扩散激活能，线性拟合得出扩散系数的数量级为10-14，比纯铁纳米化再进行380℃热处理高一个数量级。