沖蝕磨損是工程材料中常見的磨損現(xiàn)象。當(dāng)固體顆粒（沙子，粉煤灰，和火山灰等）被氣流夾帶并撞擊工件表面時(shí)會(huì)發(fā)生固體顆粒侵蝕（SPE）。國際上，陶瓷基抗沖蝕涂層已廣泛應(yīng)用于壓氣機(jī)流道部件，旨在減緩砂粒環(huán)境下對(duì)材料的沖蝕，從而延長流道部件的服役壽命。而國內(nèi)在陶瓷基抗沖蝕磨損涂層方面雖也進(jìn)行了一些研究探討，但仍未形成體系，在實(shí)際應(yīng)用中并未使用陶瓷基抗沖蝕防護(hù)涂層。?

　　廣東省科學(xué)院新材料研究所真空鍍膜研究室一直致力于陶瓷基抗沖蝕涂層的應(yīng)用及失效機(jī)制研究，以電弧離子鍍制備技術(shù)為基礎(chǔ)，先后制備了Ti/TiN/Zr/ZrN、CrAlNx/CrAlN、Cr/CrN/Cr/CrAlN等陶瓷基抗沖蝕涂層。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，抗沖蝕涂層的服役壽命和可靠性與其表面質(zhì)量和抗裂性密切相關(guān)，硬度過高而韌性不足是造成涂層過早失效的主要原因之一。針對(duì)這一問題，廣東省科學(xué)院新材料研究所周克崧院士和西安理工大學(xué)蔣百靈教授課題組聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生王迪對(duì)梯度多元多層抗沖蝕涂層的沖蝕性能和斷裂失效機(jī)理開展了深入的研究。利用復(fù)合磁場電弧離子鍍技術(shù)制備了強(qiáng)韌化多層Cr基抗沖蝕涂層，經(jīng)工藝優(yōu)化，大幅度地消除了涂層中的大顆粒。利用FIB技術(shù)原位切割涂層壓痕斷裂區(qū)域發(fā)現(xiàn)層間的界面處存在滑移，層中包含大量晶格畸變和晶粒偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)在層間界面處引發(fā)剪切臺(tái)階。上述步驟被充當(dāng)應(yīng)力集中器并誘發(fā)裂紋萌生，提供裂紋擴(kuò)展的通道。在涂層受沖擊后導(dǎo)致應(yīng)力集中在表面層中，迫使脆性層（CrAlN層）斷裂，從而引起層與層的沿界面處相對(duì)位移。由于這些層是連接的，因此應(yīng)力會(huì)逐層傳播，而晶粒的偏斜和界面效應(yīng)會(huì)逐漸消耗應(yīng)力傳播能量。結(jié)合ABAQUS軟件模擬計(jì)算了涂層受沖蝕過程中的應(yīng)力變化，如圖3所示為砂礫沖蝕涂層達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)Cr/CrAlN和Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層的整體應(yīng)力分布S33（沿Z方向應(yīng)力）（速度為0 m / s）?？梢钥闯鲈谕繉拥臎_擊中心附近應(yīng)力最大，并且逐層減小。在水平方向上，Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層的拉伸應(yīng)力區(qū)域更寬且逐漸減小，表明其具有更強(qiáng)的側(cè)向分散應(yīng)力能力。這也說明，Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層具有更好的縱向和橫向應(yīng)力消散能力。另外，在砂礫的沖擊過程中，高拉伸應(yīng)力是涂層中裂紋形成和傳播的主要原因。通過對(duì)涂層失效機(jī)制的研究，為進(jìn)一步優(yōu)化涂層性能和成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)應(yīng)用型陶瓷基抗沖蝕防護(hù)涂層奠定了豐富的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。?

　　相關(guān)的研究成果已經(jīng)發(fā)表在SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY、CERAMICS INTERNATIONAL、VACUUM和稀有金屬材料與工程等本領(lǐng)域權(quán)威期刊上。該研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、廣東省重大人才計(jì)劃本土創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金、廣東省科學(xué)院科技發(fā)展專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。?

　　相關(guān)鏈接：?

　　[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?

圖1. Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層截面形貌及EDS線掃描結(jié)果（a為截面，b為線掃）?

　　圖2. 預(yù)制應(yīng)力前后Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層的微觀結(jié)構(gòu)變化（a為預(yù)制應(yīng)力前，b為a局部放大圖，c為預(yù)制應(yīng)力后，d為c局部放大圖）?

　　圖3. 當(dāng)砂礫達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，涂層的整體應(yīng)力分布（a為Cr/CrAlN，b為Cr/CrN/Cr/CrAlN）?

　　（省科學(xué)院新材料所 王迪/供稿）?