鈦合金在高溫暴露時的抗氧化能力不足，大大限制了其應用。本文利用800°C循環氧化過程中界面的互擴散和互反應，設計了一種特殊的雙層氮化物涂層，在800°C的空氣中長達200小時，40次循環不會發生明顯的開裂或層裂，也不會形成明顯的氧化膜。該鍍膜系統具有大規模工業化生產的潛力。

由于鈦及鈦合金的低密度、高比強度和優異的耐腐蝕性，廣泛應用于航空發動機燃氣輪機(如風扇葉片、壓氣機等)、汽車工業和醫學植入物領域。眾所周知，提高燃氣輪機的進口溫度可以提高發動機效率，從而提高化石燃料效率。然而，鈦合金在高溫暴露時的抗氧化能力不足，大大限制了其應用。在許多應用中，尤其在航空發動機設計方面，人們希望在更高的溫度下使用鈦或其合金，但氧化或火災的威脅仍然是一個長期存在的挑戰。

來自英國的曼徹斯特大學和曼徹斯特城市大學的一項最新聯合研究，利用800°C循環氧化過程中界面的互擴散和互反應，設計了一種特殊的雙層氮化物涂層，從而調節涂層與基體之間的熱失配應變，為優異性能的合金涂層提供了新的設計途徑。相關論文以題為“ A conformable high temperature nitride coating for Ti alloys ”于近日發表在Acta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.051

在該項工作中，研究人員采用磁控濺射技術在Ti和Ti6Al4V合金表面制備了Mo過渡層(300 Nm)。利用800°C循環氧化過程中界面的互擴散和相互反應，形成了由SiAlN頂層、TiN0.26和Ti5Si3混合相中間層和Ti-Mo固溶體組成的層狀氮化物涂層體系，使其具有較強的擴散結合和優異的抗氧化性能。通過研究發現，新型TiN0.26中間層由于通過機械孿生表現出自適應的整合性，從而調節涂層與基體之間的熱失配應變。涂層在800°C的空氣中循環氧化數百小時(>40次)后不會開裂、剝落和氧化。

 圖1 沉積態SiN/Mo涂層的微觀結構

圖2 界面強化和抗氧化性

圖3 SiAlN/ Mo涂層的抗氧化性以及涂層表面（頂部）和裸露表面（左側）的SEM截面圖

圖4 劃痕試驗樣品的微觀結構和元素分布

圖5 循環氧化試樣的微觀結構和元素分布

圖6 氧化100h后SiAlN涂層的微觀結構

圖7 原狀和層狀氮化物涂層系統示意圖

圖8 經過800°C/100h循環氧化后的層狀涂層系統中TiN0.26相的微觀結構

總的來說，這項研究的雙層氮化鈦涂層，由于互擴散和互反應，層狀氮化物涂層系統在熱暴露后表現出增強的附著力，并且它可以自適應地進行廣泛的熱循環(在800°C的空氣中長達200小時，40次循環)，不會發生明顯的開裂或層裂，也不會形成明顯的氧化膜。這種含Mo中間層的SiAlN涂層也可用于其它鈦合金，甚至γ-TiAl金屬間化合物合金。此外，由于磁控濺射技術的可擴展性和相對較低的成本，該鍍膜系統具有大規模工業化生產的潛力，同時在醫學植入物領域的涂層中也具有潛在的應用前景。