導讀：鋁合金的低硬度和有限的抗磨性對其穩定性和使用壽命構成了障礙，尤其是在腐蝕性環境中。本文呢通過直流磁控濺射在鋁合金上沉積非晶態 CrAlN 涂層。含氮量為 30.2% 的 CrAlN 涂層致密，可防止氧化物和腐蝕性液體的侵入，從而大大提高了涂層的防腐蝕性能。涂層鋁合金在 3.5% NaCl 溶液中的磨損率降低了三個數量級。這項工作為在輕合金上構建非晶保護涂層鋪平了道路。

鋁（Al）合金是最常見的輕質材料，由于具有高比強度和優異的延展性，被廣泛應用于汽車和航空航天工業。眾所周知，鋁合金具有優異的耐腐蝕性，暴露在空氣中會自然生成一層防止氧化的保護膜。然而，由于鋁合金在腐蝕性環境中，尤其是在含有 Cl- 離子的溶液中會產生明顯的點腐蝕，因此限制了鋁合金在船舶設備中的廣泛使用。同時，鋁合金的低硬度和較差的摩擦學性能也阻礙了其應用。由于上述缺陷，鋁合金表面形成的薄氧化層在使用過程中更容易破損，這加速了鋁合金在腐蝕介質中的腐蝕，最終導致故障和設備使用壽命的縮短。

近幾十年來，為了改善鋁合金的表面質量以滿足實際應用的需要，人們創造了一系列表面處理方法，包括微弧氧化、電鍍、化學轉化和表面噴涂。例如，Wang 等人采用等離子電解氧化法強化鋁硅合金表面，并進一步優化電解液，獲得了表面硬度高（?1300 HV）、耐磨性超強的鋁合金。雖然上述技術在改變鋁合金表面方面已被證明是成功的，但它們經常產生大量的能源廢物和污水，給環境造成極大負擔。最近，等離子氮化技術也引起了研究人員的注意。Zhang 等人通過等離子氮化在 Al 合金上制備了 Cr-N/Al-Cr 多層涂層，并發現氮化溫度升高有利于涂層的硬度和摩擦學行為。然而，由于氮化過程中在鋁合金表面形成的陶瓷涂層降低了材料的導電性，氮化變得具有挑戰性且效果不佳。這些因素加上漫長的制備時間，使得鋁合金表面強化難以實現工業化生產。    

大量研究證實，在鋁合金表面沉積硬涂層是可行的，盡管它們的物理性質存在顯著差異。物理氣相沉積（PVD）技術，包括磁控濺射、離子鍍等，因其簡單易行、節能降耗等優點，被廣泛應用于零件和設備的表面保護。近來，利用 PVD 技術在鋁合金表面制造硬涂層引起了廣泛關注。Baragetti 等人通過在 7075 Al 合金表面構建 DLC 涂層，顯著提高了其疲勞性能，同時也有利于合金在侵蝕性環境中的耐腐蝕性能。此外，Cao 等人使用過濾陰極真空電弧在鋁合金上沉積 CrAlN 涂層，以增強合金的抗腐蝕能力。雖然關于利用 PVD 技術強化鋁合金表面的研究報道不多，但這一新興領域具有巨大的發展潛力。

氮化鉻（CrN）被認為是海洋環境中最有前途的抗磨和耐腐蝕涂層之一。然而，正如我們之前的研究[31]所報告的那樣，典型的柱狀生長模式具有粗大的晶粒和大量針孔缺陷，嚴重限制了 CrN 涂層的使用壽命。在這種情況下，通常采用摻雜或多層改性方法來改善涂層的機械性能和耐腐蝕性。鋁是 CrN 涂層最常見的改性元素，由此獲得的 CrAlN 復合涂層通常具有優異的抗氧化性和耐腐蝕性，但涂層的致密化也是限制其應用的一個主要因素。我們的研究小組通過在 CrN 涂層中引入痕量 C 元素，獲得了一種具有致密微觀結構的非晶/納米晶復合 CrCN 涂層，并同時提高了涂層的機械性能和摩擦腐蝕性能。顯然，無定形相的引入極大地促進了涂層的致密化，并伴隨著性能的大幅提高。          

遺憾的是，對于鋁合金而言，通過 PVD 技術在其表面構建硬質保護涂層以提高其摩擦和腐蝕性能的方法鮮有報道。亟待解決的首要問題是鋁合金與硬涂層之間的熱膨脹系數存在顯著差異，這是在鋁合金表面沉積硬涂層的常見障礙。因此，必須采用合適的過渡層來連接軟合金和硬涂層，同時揭示基體到涂層（界面）的結構演變。此外，提高傳統結晶 CrAlN 涂層的致密性，實現涂層性能的質的飛躍是本研究要解決的第二個難題。

因此，本研究首先通過直流（DC）磁控濺射在 7075 Al 合金上沉積了不同氮含量的非晶態 CrAlN 復合涂層。在 3.5% NaCl 溶液中，對所得涂層的微觀結構、機械性能、電化學性能和摩擦學行為進行了深入研究。其中，對鋁基底/過渡層/CrAlN 涂層的界面演變進行了深入分析。本文旨在揭示鋁合金表面無定形 CrAlN 涂層的結構演變機理及其在腐蝕溶液中的摩擦學機理。該研究由東莞理工大學材料科學與工程學院李文芳教授等團隊進行，相關研究成果以“Extremely improved the corrosion resistance and anti-wear behavior of aluminum alloy in 3.5% NaCl solution via amorphous CrAlN coating protection”為題，發表在Corrosion Science上。

鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0010938X24001367?via%3Dihub 

圖 1 （a）沉積設備示意圖；（b）不同氮含量的 CrAlN 涂層的 XRD 圖樣和（c、d）擬合 XPS 光譜。

圖 2 CrAlN 涂層表面形貌和相應粗糙度的原子力顯微鏡圖像：N-1（a，e）；N-2（b，f）；N-3（c，g）；N-4（d，h）。              

圖 3 N-1（a、e、i）、N-2（b、f、j）、N-3（c、g、k）和 N-4（d、h、l）涂層的表面形態、橫截面形態和相應的化學成分（m、n），以及 N-3 涂層的 EDS 元素圖（紅框和藍框）。

圖 4 沉積在 Al 合金上的 N-3 涂層的 TEM 分析：（a）FIB 制備；（b、c）制備涂層的橫截面 TEM 圖像和相應的 EDS 元素圖；（d、e、f、g）CrAl/Al 合金界面橫截面的 HRTEM 圖像，以及（h）相應的 CrAl 過渡層的 SAED 分析。

綜上所述，首次報道了通過直流磁控濺射在鋁合金表面沉積非晶態 CrAlN 涂層，大大改善了合金的表面性能。鋁合金表面非晶態 CrAlN 涂層的穩定形成主要歸因于涂層與基體之間存在非晶態/晶體混合區。非晶態 CrAlN 涂層的微觀結構、機械性能和耐腐蝕性取決于涂層中的氮含量。隨著氮含量的增加，非晶相逐漸占據涂層的主導地位。隨著氮含量的增加，非晶態 CrAlN 涂層的硬度、彈性模量和耐腐蝕性先上升后下降。N-3 鍍層的硬度（15.17 GPa）和彈性模量（226.55 GPa）最高，耐腐蝕性也最佳，這主要歸功于其緊湊的微觀結構和較低的表面粗糙度。同時，氮含量也顯著影響了 CrAlN 涂層在 3.5% NaCl 溶液中的摩擦學性能。隨著氮含量的增加，涂層的摩擦學性能先增強后降低，其中 N-3 涂層的摩擦系數和磨損率最低。N-3 涂層的高硬度和優異的機械性能（高 H/E 值和 H3/E2 值）是其摩擦和磨損性能優異的原因。