广东省科学院新材料研究所联合西安理工大学在抗冲蚀涂层研究领域取得新进展

冲蚀磨损是工程材料中常见的磨损现象。当固体颗粒（沙子，粉煤灰，和火山灰等）被气流夹带并撞击工件表面时会发生固体颗粒侵蚀（SPE）。国际上，抗冲蚀涂层已广泛应用于航空发动机和燃气轮机(简称“两机”)的前端部件，旨在减缓砂粒环境下对叶片材料的冲蚀，从而延长叶盘、叶片的服役寿命。

广东省科学院新材料研究所真空镀膜研究室一直致力于抗冲蚀涂层的应用及失效机制研究，以电弧离子镀制备技术为基础，先后制备了Ti/TiN/Zr/ZrN、CrAlNx/CrAlN、Cr/CrN/Cr/CrAlN等抗冲蚀涂层。经研究发现，抗冲蚀涂层的服役寿命和可靠性与其表面质量和抗裂性密切相关，硬度过高而韧性不足是造成抗冲蚀涂层过早失效的主要原因之一。针对这一问题，广东省科学院新材料研究所周克崧院士和西安理工大学蒋百灵教授课题组联合培养博士研究生王迪对梯度多层抗冲蚀涂层的冲蚀性能和断裂失效机理开展了深入的研究。利用复合磁场电弧离子镀技术制备了强韧化多层Cr基抗冲蚀涂层，经工艺优化，大幅度地消除了涂层中的大颗粒。利用FIB技术原位切割涂层压痕断裂区域并结合ABAQUS软件模拟计算涂层冲蚀过程应力变化，分析发现Cr/CrN/Cr/CrAlN涂层具有较好的纵向和横向应力消散能力。在砂砾的冲击过程中，高拉伸应力是涂层中裂纹形成和传播的主要原因。通过对涂层失效机制的研究，为进一步优化涂层性能和成分结构设计，开发应用型抗冲蚀防护涂层奠定了丰富的实验和理论基础。

相关的研究成果已经发表在SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY、CERAMICS INTERNATIONAL、VACUUM和稀有金属材料与工程等本领域权威期刊上。该研究工作得到国家重点研发项目、广东省重点研究与开发项目、广东省自然科学基金、广东省科学院科技发展专项等项目支持。

相关链接：

[1]https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.217

[2]https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126352

[3]https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.109064

[4]Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(8): 2583-2590

图1.  Cr/CrN/Cr/CrAlN涂层截面形貌及EDS线扫描结果（a为截面，b为线扫）

图2. 预制应力前后Cr/CrN/Cr/CrAlN涂层的微观结构变化（a为预制应力前，b为a局部放大图，c为预制应力后，d为c局部放大图）

撰稿/供图：王迪