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論文推薦 | 中科院寧波所汪愛英研究員團隊：復合zigzag結構CrN涂層的設計制備及沖蝕性能

2023-07-17 14:58:08 作者：汪愛英研究員團隊來源：中國表面工程分享至：

航空飛機在起降、低空飛行，或在沙漠等惡劣環境中服役時，砂粒、灰塵固體顆粒在高速氣流作用下，使發動機壓氣機葉片表面產生高速沖擊和摩擦，造成葉片沖刷腐蝕損傷及失效，降低發動機性能和服役壽命，甚至導致飛機失事。據美軍研究報告，“沙漠風暴”行動中裝配CH-6E直升機的渦軸發動機壓氣機葉片的初始設計壽命為3000 h，但在沙漠環境下的使用壽命僅為100 h。因此，如何減緩和避免發動機葉片的沖蝕磨損，已成為保障發動機正常工作和安全飛行的迫切需求。目前，二元氮（碳）化物（TiN、CrN、ZrN、WC等）硬質涂層，以及相關三元（TiCrN、TiZrN、TiAlN）、甚至多元（TiAlSiN、TiSiCN、TiAlCrN等）氮基復合涂層，被相繼開發用于抗沖蝕防護領域。然而，傳統高硬度涂層的斷裂韌性差，高角度沖蝕易產生微裂紋等損傷疲勞源，從而降低涂層的最終抗沖刷和耐腐蝕服役性能。如何在保持涂層高硬度耐磨損的前提下，通過組分結構設計來突破強韌抗沖刷防腐蝕一體涂層制備技術，已成為國內外關注的熱點和難點。

中國科學院寧波材料所汪愛英研究員團隊在《中國表面工程》2023年第3期發表研究論文《復合zigzag結構CrN涂層的設計制備及沖蝕性能》。文章從晶界設計角度出發，選擇耐蝕性能優異的CrN為涂層對象，成功制備出具有zigzag復合結構的CrN涂層，研究了其結構、力學性能和高抗沖蝕性能相關規律，發現zigzag復合結構CrN涂層具有良好的機械性能及抗沖蝕防護特點，相關結果為強韌鈍一體高性能防護涂層材料研發提供了新思路。

引用格式

王麗, 王振玉, 陳仁德, 柯培玲, 汪愛英. 復合zigzag結構CrN涂層的設計制備及沖蝕性能[J].中國表面工程,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.

精彩看點

1. 論文創新點

本文采用晶界取向設計zigzag復合結構的思路，使涂層柱狀晶發生周期性偏轉形成“類彈簧”結構，主要利用等離子體斜角入射的原理，通過改變等離子體與基體之間的夾角交替沉積，實現晶體在彎曲和扭結面連續生長。通過構筑不同界面取向的zigzag結構，一方面可以吸收應變能，協調沖擊變形，抑制裂紋產生或使裂紋發生偏轉，提高涂層損傷容限；另一方面則利用連續不斷的涂層漸變生長利于提高層間結合力。

2. 重要結論

(1) 采用斜角磁控濺射技術，制備出CrN-zigzag復合涂層，涂層組織致密，呈現柱狀結構，zigzag結構的存在并未打斷柱狀晶的連續生長。

(2) 所制備CrN-zigzag涂層厚度約為3.7 μm，納米壓痕硬度達到(19.2±2) GPa，且具有高的結合強度（>48 N）。相比于常規濺射制備CrN涂層，CrN-zigzag涂層在90°高沖刷角度下的抗沖蝕性能提高了57.67%。

(3) 普通CrN涂層表現為明顯的脆性失效特征，在沖蝕中心區域涂層表現為塊狀破碎，表面布滿環形裂紋；CrN-zigzag復合涂層則呈明顯的脆性復合韌性失效特征，符合變形磨損理論和二次沖蝕理論。CrN-zigzag涂層在砂礫沖蝕試驗中的優異抗沖蝕性能得益于zigzag結構設計，本質歸因于其特殊的晶界取向設計，使得涂層兼具高硬度與高韌性，抑制裂紋擴展，提高了材料損傷容限。