冲蚀磨损是工程材料中常见的磨损现象。当固体颗粒（沙子，粉煤灰，和火山灰等）被气流夹带并撞击工件表面时会发生固体颗粒侵蚀（SPE）。国际上，陶瓷基抗冲蚀涂层已广泛应用于压气机流道部件，旨在减缓砂粒环境下对材料的冲蚀，从而延长流道部件的服役寿命。而国内在陶瓷基抗冲蚀磨损涂层方面虽也进行了一些研究探讨，但仍未形成体系，在实际应用中并未使用陶瓷基抗冲蚀防护涂层。
广东省科学院新材料研究所真空镀膜研究室一直致力于陶瓷基抗冲蚀涂层的应用及失效机制研究，以电弧离子镀制备技术为基础，先后制备了Ti/TiN/Zr/ZrN、CrAlNx/CrAlN、Cr/CrN/Cr/CrAlN等陶瓷基抗冲蚀涂层。经研究发现，抗冲蚀涂层的服役寿命和可靠性与其表面质量和抗裂性密切相关，硬度过高而韧性不足是造成涂层过早失效的主要原因之一。针对这一问题，广东省科学院新材料研究所周克崧院士和西安理工大学蒋百灵教授课题组联合培养博士研究生王迪对梯度多元多层抗冲蚀涂层的冲蚀性能和断裂失效机理开展了深入的研究。利用复合磁场电弧离子镀技术制备了强韧化多层Cr基抗冲蚀涂层，经工艺优化，大幅度地消除了涂层中的大颗粒。利用FIB技术原位切割涂层压痕断裂区域发现层间的界面处存在滑移，层中包含大量晶格畸变和晶粒偏转，该偏转在层间界面处引发剪切台阶。上述步骤被充当应力集中器并诱发裂纹萌生，提供裂纹扩展的通道。在涂层受冲击后导致应力集中在表面层中，迫使脆性层（CrAlN层）断裂，从而引起层与层的沿界面处相对位移。由于这些层是连接的，因此应力会逐层传播，而晶粒的偏斜和界面效应会逐渐消耗应力传播能量。结合ABAQUS软件模拟计算了涂层受冲蚀过程中的应力变化，如图3所示为砂砾冲蚀涂层达到最低点时Cr/CrAlN和Cr/CrN/Cr/CrAlN涂层的整体应力分布S33（沿Z方向应力）（速度为0 m / s）。可以看出在涂层的冲击中心附近应力最大，并且逐层减小。在水平方向上，Cr/CrN/Cr/CrAlN涂层的拉伸应力区域更宽且逐渐减小，表明其具有更强的侧向分散应力能力。这也说明，Cr/CrN/Cr/CrAlN涂层具有更好的纵向和横向应力消散能力。另外，在砂砾的冲击过程中，高拉伸应力是涂层中裂纹形成和传播的主要原因。通过对涂层失效机制的研究，为进一步优化涂层性能和成分结构设计，开发应用型陶瓷基抗冲蚀防护涂层奠定了丰富的实验和理论基础。
相关的研究成果已经发表在SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY、CERAMICS INTERNATIONAL、VACUUM和稀有金属材料与工程等本领域权威期刊上。该研究工作得到国家重点研发项目、广东特支计划本土创新创业团队项目、广东省自然科学基金、广东省科学院科技发展专项等项目支持。
相关链接：
[1] https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.217
[2] https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126352
[3] https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.109064
[4]Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(8): 2583-2590
图1. Cr/CrN/Cr/CrAlN涂层截面形貌及EDS线扫描结果（a为截面，b为线扫）
图2. 预制应力前后Cr/CrN/Cr/CrAlN涂层的微观结构变化（a为预制应力前，b为a局部放大图，c为预制应力后，d为c局部放大图）
图3. 当砂砾达到最低点时，涂层的整体应力分布（a为Cr/CrAlN，b为Cr/CrN/Cr/CrAlN）
（省科学院新材料所 王迪/供稿）
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