论文推荐 | 中科院宁波所汪爱英研究员团队：复合zigzag结构CrN涂层的设计制备及冲蚀性能

2023-07-17 14:58:08 作者：汪爱英研究员团队来源：中国表面工程分享至：

航空飞机在起降、低空飞行，或在沙漠等恶劣环境中服役时，砂粒、灰尘固体颗粒在高速气流作用下，使发动机压气机叶片表面产生高速冲击和摩擦，造成叶片冲刷腐蚀损伤及失效，降低发动机性能和服役寿命，甚至导致飞机失事。据美军研究报告，“沙漠风暴”行动中装配CH-6E直升机的涡轴发动机压气机叶片的初始设计寿命为3000 h，但在沙漠环境下的使用寿命仅为100 h。因此，如何减缓和避免发动机叶片的冲蚀磨损，已成为保障发动机正常工作和安全飞行的迫切需求。目前，二元氮（碳）化物（TiN、CrN、ZrN、WC等）硬质涂层，以及相关三元（TiCrN、TiZrN、TiAlN）、甚至多元（TiAlSiN、TiSiCN、TiAlCrN等）氮基复合涂层，被相继开发用于抗冲蚀防护领域。然而，传统高硬度涂层的断裂韧性差，高角度冲蚀易产生微裂纹等损伤疲劳源，从而降低涂层的最终抗冲刷和耐腐蚀服役性能。如何在保持涂层高硬度耐磨损的前提下，通过组分结构设计来突破强韧抗冲刷防腐蚀一体涂层制备技术，已成为国内外关注的热点和难点。

中国科学院宁波材料所汪爱英研究员团队在《中国表面工程》2023年第3期发表研究论文《复合zigzag结构CrN涂层的设计制备及冲蚀性能》。文章从晶界设计角度出发，选择耐蚀性能优异的CrN为涂层对象，成功制备出具有zigzag复合结构的CrN涂层，研究了其结构、力学性能和高抗冲蚀性能相关规律，发现zigzag复合结构CrN涂层具有良好的机械性能及抗冲蚀防护特点，相关结果为强韧钝一体高性能防护涂层材料研发提供了新思路。

引用格式

王丽, 王振玉, 陈仁德, 柯培玲, 汪爱英. 复合zigzag结构CrN涂层的设计制备及冲蚀性能[J].中国表面工程,2023,36(3):65-73.

WANG Li, WANG Zhenyu, CHEN Rende, KE Peiling, WANG Aiying. Preparation and Erosion Performance of Composite CrN Coatings Through Zigzag Structural Design[J]. China Surface Engineering,2023,36(3):65-73.

精彩看点

1. 论文创新点

本文采用晶界取向设计zigzag复合结构的思路，使涂层柱状晶发生周期性偏转形成“类弹簧”结构，主要利用等离子体斜角入射的原理，通过改变等离子体与基体之间的夹角交替沉积，实现晶体在弯曲和扭结面连续生长。通过构筑不同界面取向的zigzag结构，一方面可以吸收应变能，协调冲击变形，抑制裂纹产生或使裂纹发生偏转，提高涂层损伤容限；另一方面则利用连续不断的涂层渐变生长利于提高层间结合力。

2. 重要结论

(1) 采用斜角磁控溅射技术，制备出CrN-zigzag复合涂层，涂层组织致密，呈现柱状结构，zigzag结构的存在并未打断柱状晶的连续生长。

(2) 所制备CrN-zigzag涂层厚度约为3.7 μm，纳米压痕硬度达到(19.2±2) GPa，且具有高的结合强度（>48 N）。相比于常规溅射制备CrN涂层，CrN-zigzag涂层在90°高冲刷角度下的抗冲蚀性能提高了57.67%。

(3) 普通CrN涂层表现为明显的脆性失效特征，在冲蚀中心区域涂层表现为块状破碎，表面布满环形裂纹；CrN-zigzag复合涂层则呈明显的脆性复合韧性失效特征，符合变形磨损理论和二次冲蚀理论。CrN-zigzag涂层在砂砾冲蚀试验中的优异抗冲蚀性能得益于zigzag结构设计，本质归因于其特殊的晶界取向设计，使得涂层兼具高硬度与高韧性，抑制裂纹扩展，提高了材料损伤容限。