鈦合金在高溫暴露時(shí)的抗氧化能力不足，大大限制了其應(yīng)用。本文利用800°C循環(huán)氧化過程中界面的互擴(kuò)散和互反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種特殊的雙層氮化物涂層，在800°C的空氣中長(zhǎng)達(dá)200小時(shí)，40次循環(huán)不會(huì)發(fā)生明顯的開裂或?qū)恿眩膊粫?huì)形成明顯的氧化膜。該鍍膜系統(tǒng)具有大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的潛力。

由于鈦及鈦合金的低密度、高比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)(如風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)等)、汽車工業(yè)和醫(yī)學(xué)植入物領(lǐng)域。眾所周知，提高燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口溫度可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，從而提高化石燃料效率。然而，鈦合金在高溫暴露時(shí)的抗氧化能力不足，大大限制了其應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，尤其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面，人們希望在更高的溫度下使用鈦或其合金，但氧化或火災(zāi)的威脅仍然是一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。

來自英國(guó)的曼徹斯特大學(xué)和曼徹斯特城市大學(xué)的一項(xiàng)最新聯(lián)合研究，利用800°C循環(huán)氧化過程中界面的互擴(kuò)散和互反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種特殊的雙層氮化物涂層，從而調(diào)節(jié)涂層與基體之間的熱失配應(yīng)變，為優(yōu)異性能的合金涂層提供了新的設(shè)計(jì)途徑。相關(guān)論文以題為“ A conformable high temperature nitride coating for Ti alloys ”于近日發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.051

在該項(xiàng)工作中，研究人員采用磁控濺射技術(shù)在Ti和Ti6Al4V合金表面制備了Mo過渡層(300 Nm)。利用800°C循環(huán)氧化過程中界面的互擴(kuò)散和相互反應(yīng)，形成了由SiAlN頂層、TiN0.26和Ti5Si3混合相中間層和Ti-Mo固溶體組成的層狀氮化物涂層體系，使其具有較強(qiáng)的擴(kuò)散結(jié)合和優(yōu)異的抗氧化性能。通過研究發(fā)現(xiàn)，新型TiN0.26中間層由于通過機(jī)械孿生表現(xiàn)出自適應(yīng)的整合性，從而調(diào)節(jié)涂層與基體之間的熱失配應(yīng)變。涂層在800°C的空氣中循環(huán)氧化數(shù)百小時(shí)(>40次)后不會(huì)開裂、剝落和氧化。

 圖1 沉積態(tài)SiN/Mo涂層的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 界面強(qiáng)化和抗氧化性

圖3 SiAlN/ Mo涂層的抗氧化性以及涂層表面（頂部）和裸露表面（左側(cè)）的SEM截面圖

圖4 劃痕試驗(yàn)樣品的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布

圖5 循環(huán)氧化試樣的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布

圖6 氧化100h后SiAlN涂層的微觀結(jié)構(gòu)

圖7 原狀和層狀氮化物涂層系統(tǒng)示意圖

圖8 經(jīng)過800°C/100h循環(huán)氧化后的層狀涂層系統(tǒng)中TiN0.26相的微觀結(jié)構(gòu)

總的來說，這項(xiàng)研究的雙層氮化鈦涂層，由于互擴(kuò)散和互反應(yīng)，層狀氮化物涂層系統(tǒng)在熱暴露后表現(xiàn)出增強(qiáng)的附著力，并且它可以自適應(yīng)地進(jìn)行廣泛的熱循環(huán)(在800°C的空氣中長(zhǎng)達(dá)200小時(shí)，40次循環(huán))，不會(huì)發(fā)生明顯的開裂或?qū)恿眩膊粫?huì)形成明顯的氧化膜。這種含Mo中間層的SiAlN涂層也可用于其它鈦合金，甚至γ-TiAl金屬間化合物合金。此外，由于磁控濺射技術(shù)的可擴(kuò)展性和相對(duì)較低的成本，該鍍膜系統(tǒng)具有大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的潛力，同時(shí)在醫(yī)學(xué)植入物領(lǐng)域的涂層中也具有潛在的應(yīng)用前景。