導(dǎo)讀：鋁合金的低硬度和有限的抗磨性對其穩(wěn)定性和使用壽命構(gòu)成了障礙，尤其是在腐蝕性環(huán)境中。本文呢通過直流磁控濺射在鋁合金上沉積非晶態(tài) CrAlN 涂層。含氮量為 30.2% 的 CrAlN 涂層致密，可防止氧化物和腐蝕性液體的侵入，從而大大提高了涂層的防腐蝕性能。涂層鋁合金在 3.5% NaCl 溶液中的磨損率降低了三個數(shù)量級。這項(xiàng)工作為在輕合金上構(gòu)建非晶保護(hù)涂層鋪平了道路。

鋁（Al）合金是最常見的輕質(zhì)材料，由于具有高比強(qiáng)度和優(yōu)異的延展性，被廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天工業(yè)。眾所周知，鋁合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性，暴露在空氣中會自然生成一層防止氧化的保護(hù)膜。然而，由于鋁合金在腐蝕性環(huán)境中，尤其是在含有 Cl- 離子的溶液中會產(chǎn)生明顯的點(diǎn)腐蝕，因此限制了鋁合金在船舶設(shè)備中的廣泛使用。同時，鋁合金的低硬度和較差的摩擦學(xué)性能也阻礙了其應(yīng)用。由于上述缺陷，鋁合金表面形成的薄氧化層在使用過程中更容易破損，這加速了鋁合金在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕，最終導(dǎo)致故障和設(shè)備使用壽命的縮短。

近幾十年來，為了改善鋁合金的表面質(zhì)量以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，人們創(chuàng)造了一系列表面處理方法，包括微弧氧化、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化和表面噴涂。例如，Wang 等人采用等離子電解氧化法強(qiáng)化鋁硅合金表面，并進(jìn)一步優(yōu)化電解液，獲得了表面硬度高（?1300 HV）、耐磨性超強(qiáng)的鋁合金。雖然上述技術(shù)在改變鋁合金表面方面已被證明是成功的，但它們經(jīng)常產(chǎn)生大量的能源廢物和污水，給環(huán)境造成極大負(fù)擔(dān)。最近，等離子氮化技術(shù)也引起了研究人員的注意。Zhang 等人通過等離子氮化在 Al 合金上制備了 Cr-N/Al-Cr 多層涂層，并發(fā)現(xiàn)氮化溫度升高有利于涂層的硬度和摩擦學(xué)行為。然而，由于氮化過程中在鋁合金表面形成的陶瓷涂層降低了材料的導(dǎo)電性，氮化變得具有挑戰(zhàn)性且效果不佳。這些因素加上漫長的制備時間，使得鋁合金表面強(qiáng)化難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。    

大量研究證實(shí)，在鋁合金表面沉積硬涂層是可行的，盡管它們的物理性質(zhì)存在顯著差異。物理氣相沉積（PVD）技術(shù)，包括磁控濺射、離子鍍等，因其簡單易行、節(jié)能降耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于零件和設(shè)備的表面保護(hù)。近來，利用 PVD 技術(shù)在鋁合金表面制造硬涂層引起了廣泛關(guān)注。Baragetti 等人通過在 7075 Al 合金表面構(gòu)建 DLC 涂層，顯著提高了其疲勞性能，同時也有利于合金在侵蝕性環(huán)境中的耐腐蝕性能。此外，Cao 等人使用過濾陰極真空電弧在鋁合金上沉積 CrAlN 涂層，以增強(qiáng)合金的抗腐蝕能力。雖然關(guān)于利用 PVD 技術(shù)強(qiáng)化鋁合金表面的研究報(bào)道不多，但這一新興領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

氮化鉻（CrN）被認(rèn)為是海洋環(huán)境中最有前途的抗磨和耐腐蝕涂層之一。然而，正如我們之前的研究[31]所報(bào)告的那樣，典型的柱狀生長模式具有粗大的晶粒和大量針孔缺陷，嚴(yán)重限制了 CrN 涂層的使用壽命。在這種情況下，通常采用摻雜或多層改性方法來改善涂層的機(jī)械性能和耐腐蝕性。鋁是 CrN 涂層最常見的改性元素，由此獲得的 CrAlN 復(fù)合涂層通常具有優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性，但涂層的致密化也是限制其應(yīng)用的一個主要因素。我們的研究小組通過在 CrN 涂層中引入痕量 C 元素，獲得了一種具有致密微觀結(jié)構(gòu)的非晶/納米晶復(fù)合 CrCN 涂層，并同時提高了涂層的機(jī)械性能和摩擦腐蝕性能。顯然，無定形相的引入極大地促進(jìn)了涂層的致密化，并伴隨著性能的大幅提高。          

遺憾的是，對于鋁合金而言，通過 PVD 技術(shù)在其表面構(gòu)建硬質(zhì)保護(hù)涂層以提高其摩擦和腐蝕性能的方法鮮有報(bào)道。亟待解決的首要問題是鋁合金與硬涂層之間的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異，這是在鋁合金表面沉積硬涂層的常見障礙。因此，必須采用合適的過渡層來連接軟合金和硬涂層，同時揭示基體到涂層（界面）的結(jié)構(gòu)演變。此外，提高傳統(tǒng)結(jié)晶 CrAlN 涂層的致密性，實(shí)現(xiàn)涂層性能的質(zhì)的飛躍是本研究要解決的第二個難題。

因此，本研究首先通過直流（DC）磁控濺射在 7075 Al 合金上沉積了不同氮含量的非晶態(tài) CrAlN 復(fù)合涂層。在 3.5% NaCl 溶液中，對所得涂層的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、電化學(xué)性能和摩擦學(xué)行為進(jìn)行了深入研究。其中，對鋁基底/過渡層/CrAlN 涂層的界面演變進(jìn)行了深入分析。本文旨在揭示鋁合金表面無定形 CrAlN 涂層的結(jié)構(gòu)演變機(jī)理及其在腐蝕溶液中的摩擦學(xué)機(jī)理。該研究由東莞理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李文芳教授等團(tuán)隊(duì)進(jìn)行，相關(guān)研究成果以“Extremely improved the corrosion resistance and anti-wear behavior of aluminum alloy in 3.5% NaCl solution via amorphous CrAlN coating protection”為題，發(fā)表在Corrosion Science上。

鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0010938X24001367?via%3Dihub 

圖 1 （a）沉積設(shè)備示意圖；（b）不同氮含量的 CrAlN 涂層的 XRD 圖樣和（c、d）擬合 XPS 光譜。

圖 2 CrAlN 涂層表面形貌和相應(yīng)粗糙度的原子力顯微鏡圖像：N-1（a，e）；N-2（b，f）；N-3（c，g）；N-4（d，h）。              

圖 3 N-1（a、e、i）、N-2（b、f、j）、N-3（c、g、k）和 N-4（d、h、l）涂層的表面形態(tài)、橫截面形態(tài)和相應(yīng)的化學(xué)成分（m、n），以及 N-3 涂層的 EDS 元素圖（紅框和藍(lán)框）。

圖 4 沉積在 Al 合金上的 N-3 涂層的 TEM 分析：（a）FIB 制備；（b、c）制備涂層的橫截面 TEM 圖像和相應(yīng)的 EDS 元素圖；（d、e、f、g）CrAl/Al 合金界面橫截面的 HRTEM 圖像，以及（h）相應(yīng)的 CrAl 過渡層的 SAED 分析。

綜上所述，首次報(bào)道了通過直流磁控濺射在鋁合金表面沉積非晶態(tài) CrAlN 涂層，大大改善了合金的表面性能。鋁合金表面非晶態(tài) CrAlN 涂層的穩(wěn)定形成主要?dú)w因于涂層與基體之間存在非晶態(tài)/晶體混合區(qū)。非晶態(tài) CrAlN 涂層的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和耐腐蝕性取決于涂層中的氮含量。隨著氮含量的增加，非晶相逐漸占據(jù)涂層的主導(dǎo)地位。隨著氮含量的增加，非晶態(tài) CrAlN 涂層的硬度、彈性模量和耐腐蝕性先上升后下降。N-3 鍍層的硬度（15.17 GPa）和彈性模量（226.55 GPa）最高，耐腐蝕性也最佳，這主要?dú)w功于其緊湊的微觀結(jié)構(gòu)和較低的表面粗糙度。同時，氮含量也顯著影響了 CrAlN 涂層在 3.5% NaCl 溶液中的摩擦學(xué)性能。隨著氮含量的增加，涂層的摩擦學(xué)性能先增強(qiáng)后降低，其中 N-3 涂層的摩擦系數(shù)和磨損率最低。N-3 涂層的高硬度和優(yōu)異的機(jī)械性能（高 H/E 值和 H3/E2 值）是其摩擦和磨損性能優(yōu)異的原因。