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海洋環境下物理氣相沉積氮/碳基抗磨蝕涂層的研究進展

2022-04-21 15:34:40 作者：表面技術來源：表面技術分享至：

作者簡介

通訊作者

汪愛英，博士，中國科學院寧波材料技術與工程研究所二級研究員、博士生導師，所屬材料技術所所長，中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室副主任。主要從事表面強化防護涂層與功能改性技術領域的研究。發表論文150余篇，授權發明專利62項，4項成果獲轉化應用。擔任中國真空學會理事/薄膜專委會副主任、中國機械工程學會摩擦學分會理事/表面工程分會常務委員等。

文章簡介

海洋環境下物理氣相沉積氮/碳基抗磨蝕涂層的研究進展

海洋環境下物理氣相沉積氮碳基抗磨蝕涂層的研究進展.pdf

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本文綜述了海洋環境氮基與碳基抗磨蝕防護涂層及應用技術的發展現狀，重點對比了噴涂、高能束表面改性、物理氣相沉積（Physical vapor deposition, PVD）三種常用涂層制備技術的優劣勢，探討了不同涂層在海水磨蝕服役過程中，組分、過渡層、多層等微結構設計對涂層力學特性、磨蝕性能的影響，歸納了海水磨蝕環境中涂層失效分析方法和損傷機理。最后，對新型海洋抗磨蝕功能防護涂層的未來發展方向做了思考與展望。

關鍵詞：海洋環境；物理氣相沉積；氮基涂層；碳基涂層；磨蝕性能；失效機理

01 背景介紹

21世紀是海洋的世紀。發展先進海洋工程裝備已成為實現國家海洋強國重大戰略的重要保障。在海洋高濕、高熱、高鹽、重載等服役環境中，船舶推進器軸承、潛艇浮力調節系統、水下機器人關節、海水液壓動力柱塞泵、深海鉆井升沉補償裝置等海工裝備關鍵運動部件，面臨嚴苛的力學-摩擦學-電化學腐蝕耦合加劇性能退化失效問題，這嚴重影響海工裝備的高性能、長壽命、安全可靠服役?；谙冗M的表面工程材料技術，設計和發展海洋環境用高性能抗磨蝕防護涂層材料，已成為材料科學、機械摩擦學和海洋學科領域的研究交叉前沿。

海洋環境中摩擦運動部件面臨的威脅

02 論文配圖

1 海洋環境中耐磨蝕涂層的制備技術

目前，抗磨蝕涂層的制備技術主要包括噴涂、高能束表面改性、物理氣相沉積（Physical vapor deposition, PVD）技術，不同技術制備的防護涂層性能各異。在海洋嚴苛環境下，與陶瓷和金屬基復合涂層相比，氮/碳基涂層表現出較低的腐蝕電流密度和磨損率，是未來發展閥門、柱塞、軸承等海洋裝備運動摩擦配副表面防護涂層的理想選擇。

抗磨蝕涂層在海水環境中的磨損率和腐蝕電流密度比較

2 氮基涂層抗海水磨蝕性能研究進展

氮基涂層主要包括過渡金屬氮化物及其二元、三元、多元衍生物，如CrN、TiN、CrSiN等。通過涂層復合組分與結構設計調控，能提高材料致密度，減少腐蝕介質滲透，進而改善其抗磨蝕性能。

海水中不同Mo含量CrMoSiCN涂層的極化曲線和磨損體積

CrN/AlN涂層截面TEM及其與基體和單一CrN涂層在海水中摩擦極化曲線對比

3 碳基涂層抗海水磨蝕性能研究進展

碳基涂層主要指由金剛石相sp3和石墨相sp2雜化鍵組成的一大類非晶碳材料，其力學、摩擦學和化學惰性非常優異，且可由多種低溫PVD方法大面積均勻制備，基體適用廣。目前，如何進一步提高PVD碳基涂層的結構致密性，突破涂層強韌多功能防護協同，獲得多種基體表面的強牢靠膜基結合，被認為是實現碳基涂層長壽命抗磨蝕防護服役的共性科學技術挑戰。通過引入過渡層、摻雜金屬或非金屬元素、制備多層復合結構，是解決上述問題的主要途徑。

DLC、Cr和WC摻雜DLC涂層在大氣及海水環境下的磨損率

Cr/GLC涂層的TEM和EELS結果表明：Cr過渡層利于界面處特殊咬合提高結合力和石墨化

Cr/WC/a-C梯度多層涂層結構和Cr/GLC多層涂層截面TEM，阻礙裂紋穿過界面，延長腐蝕液到達基體的路徑，且優化功能頂層，實現涂層整體強韌耐磨與防腐蝕一體化

4 氮/碳基涂層的磨蝕失效機理研究

海洋環境復雜及磨蝕工況多樣，受限于氮/碳基涂層材料磨蝕行為的多場耦合測試與結構表征困難，涂層相關磨蝕失效機理目前尚不明晰。對于氮基涂層體系而言，磨蝕過程中涂層主要發生表面鈍化膜破環和再生成過程，當鈍化膜被摩擦破壞后，暴露出較高電化學活性新鮮表面，在海水和周圍鈍化表面形成原電池，加劇了涂層腐蝕失效。而對于不生成鈍化膜但化學惰性極佳的碳基涂層，海水主要通過生長孔隙等本征缺陷或摩擦產生的磨坑、裂紋腐蝕等通道侵入涂層/基體界面，誘發電化學反應，并在耦合滑動摩擦作用下加劇界面開裂或涂層剝落。由于涂層磨蝕失效是一物理、化學及電化學相互影響的復雜動態過程，如何具體從微觀尺度、原位表征以及苛刻環境模擬評價角度，進一步明晰涂層磨蝕失效機理，并提出延壽防護新策略，仍面臨挑戰。

03 結語

設計和開發先進的海洋抗磨蝕防護涂層材料與應用技術，對于支撐我國海洋工程裝備的發展和海洋強國戰略實施具有重要的科學意義。針對海洋高鹽霧、高濕度、高溫度交變、高載荷壓力等多場耦合環境，材料表/界面面臨更復雜的摩擦、腐蝕、磨蝕、疲勞、甚至微生物污損等動態服役性能挑戰，這對傳統的防護涂層材料理論、實驗測試方法、制備儀器設備等都提出了更高挑戰需求。一方面，需進一步通過涂層組分/結構調控和優化設計，減少表/界面缺陷和膜基界面熱力學不匹配，來實現涂層高硬度/低摩擦/強韌/功能防護的一體協同。另一方面，需進一步研制具有高空間分辨率、高靈敏度，能無損、快速檢測不同化學惰性涂層的測試儀器，并建立相關磨蝕檢測標準方法，例如掃描開爾文探針、掃描探針電化學顯微鏡等，這有望為深入理解和揭示復雜海洋環境中涂層的力學-化學-電化學耦合服役行為和損傷失效機理提供重要保障。另外，考慮海工裝備運動部件服役工況多樣，還急需進一步完善材料海洋室內性能測試、實海掛片動態模擬、深遠海臺架服役評測、甚至原位動態結構表征的平臺。這不僅是未來發展海洋先進防護材料技術的重要內容，也已成為材料科學、機械摩擦學、表面技術、海洋工程領域的交叉前沿方向。

引文格式：

李淑鈺，劉應瑞，郭鵬，孫麗麗，柯培玲，汪愛英*. 海洋環境下物理氣相沉積氮/碳基抗磨蝕涂層的研究進展[J]. 表面技術， 2021, 50（7）： 44-56.

LI Shu-yu, LIU Ying-rui, GUO Peng, SUN Li-li, KE Pei-ling, WANG Ai-ying*. Research Progress of Nitrogen/Carbon-based Anti-tribocorrosion Coatings by Physical Vapor Deposition for Marin eApplications[J]. Surface technology, 2021, 50（7）： 44-56.

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