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研究背景

航空发动机在沙漠、近海岸等服役时，压气机叶片长期暴露于含沙尘环境中，高速气流裹挟颗粒对材料表面产生持续冲蚀作用，严重影响其服役寿命与可靠性。尤其是在低空飞行、快速起降及复杂气候条件下，颗粒冲蚀与外来物冲击已成为制约发动机性能的重要因素。传统硬质防护服涂层强烈依赖高硬度实现抗磨损，但大角度冲击因韧性不足硬脆易开裂；软质金属基防护涂层塑性延展性好，能抗高角度冲击，但因硬度不足在低角度易被剪切失效。如何在保持高硬度的同时提升涂层强韧性，实现全角度抗冲蚀与抗冲击性能协同提升，是目前防护材料科学与表面工程领域研究的重点。

本文亮点

图文解析

图1 涂层结构与实验设计。(a) 冲蚀试验示意图，(b, c) 二氧化硅冲蚀颗粒形貌，(d) Ti/TiAlN多层涂层结构，(e) 截面EDS面分布图，(f) 各子层成分特征。

图2 三维形貌及统计结果表明，涂层可显著降低冲蚀坑深度与面积，在高载荷冲蚀下仍起到有效保护作用。(a, b) 冲蚀颗粒量为10、15和20 g时涂层和基体的表面三维轮廓形貌，(c, d) 不同冲蚀条件下样品表面冲蚀坑所反映的损伤深度和面积。

图3 低速冲蚀以轻微损伤为主，高速条件下出现明显冲蚀坑及局部剥落，揭示不同工况下的损伤模式。冲蚀试验后样品的表面形貌：(a, b)低速，(c-g)高速。

图4 界面滑移与剪切是重要变形机制，体现多层结构的应力调控能力。不同子层倾角微柱压缩后的界面剪切失效行为：(a) 90°压缩，(b) 60°压缩，(c) 30°压缩，(d) 工程应力-应变曲线；(e, f)原位压缩过程中的特征演变。

图5 观察到位错累积、晶粒变形，说明韧性层在塑性耗能中的关键作用。压缩后Ti/TiAlN涂层的结构表征：(a)低倍TEM形貌，(b)韧层附近的HRTEM形貌及EDS和线扫描结果，(c)塑性挤出区HRTEM图像，(d-f)韧层中不同类型的晶体学特征。

图6 总结“硬层抗切削+软层耗能缓冲”的协同机制。Ti/TiAlN多层涂层多角度冲蚀磨损性能提升机理示意图。

总结与展望

本文通过高离化PVD技术，精准设计构筑了Ti/TiAlN多层复合结构涂层，实现了高硬度与高强韧的协同提升，涂层在全角度冲蚀及外来物颗粒冲击条件下均具有优异的抗损伤防护能力。研究表明，多层结构通过纳米异质界面调控裂纹萌生与能量耗散增强机制，有效延缓裂纹扩展并提高涂层服役稳定性，相关结果为发展极端冲击环境重大装备金属表面防护材料提供了新思路。未来可进一步结合成分调控（如多组元合金化或稀土掺杂）与结构设计（仿生应力吸收层），实现成分-结构-性能协同突破，拓展涂层的极限热-力-化耦合环境抗疲劳、腐蚀、氧化等综合性能。

课题组介绍

中国科学院宁波材料所汪爱英研究员团队，长期从事极端环境表面强化防护涂层与功能改性研究，在强韧钝防护涂层材料设计制备、关键装备研制、耦合损伤理论、工程应用技术等方面取得了重要进展。团队组建了一支基础/应用交叉融合的48人研究团队，包括固定人员16人，在学研究生28人。团队主持国家杰青/优青/区创联合重点基金、国家重点研发计划、973/两机/中科院先导课题、中科院重大装备研制等重要项目50余项。成果获得浙江省科技进步一等奖、宁波市科技进步一等奖2项、中国腐蚀与防护学会科技进步一等奖2项等，发展的系列高性能防护涂层材料与关键技术，有力支撑了海洋、空天、先进制造等国家重大战略实施和区域产业发展的防护材料应用需求。课题组网站：https://way.nimte.ac.cn/，欢迎有志于组内研究领域的学者加入团队。

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