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論文推薦 | 中科院寧波所汪愛英研究員團隊：復(fù)合zigzag結(jié)構(gòu)CrN涂層的設(shè)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(huán)境中服役時，砂粒、灰塵固體顆粒在高速氣流作用下，使發(fā)動機壓氣機葉片表面產(chǎn)生高速沖擊和摩擦，造成葉片沖刷腐蝕損傷及失效，降低發(fā)動機性能和服役壽命，甚至導(dǎo)致飛機失事。據(jù)美軍研究報告，“沙漠風(fēng)暴”行動中裝配CH-6E直升機的渦軸發(fā)動機壓氣機葉片的初始設(shè)計壽命為3000 h，但在沙漠環(huán)境下的使用壽命僅為100 h。因此，如何減緩和避免發(fā)動機葉片的沖蝕磨損，已成為保障發(fā)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(zhì)涂層，以及相關(guān)三元（TiCrN、TiZrN、TiAlN）、甚至多元（TiAlSiN、TiSiCN、TiAlCrN等）氮基復(fù)合涂層，被相繼開發(fā)用于抗沖蝕防護領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)高硬度涂層的斷裂韌性差，高角度沖蝕易產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計來突破強韌抗沖刷防腐蝕一體涂層制備技術(shù)，已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點和難點。

中國科學(xué)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(fā)表研究論文《復(fù)合zigzag結(jié)構(gòu)CrN涂層的設(shè)計制備及沖蝕性能》。文章從晶界設(shè)計角度出發(fā)，選擇耐蝕性能優(yōu)異的CrN為涂層對象，成功制備出具有zigzag復(fù)合結(jié)構(gòu)的CrN涂層，研究了其結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和高抗沖蝕性能相關(guān)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)zigzag復(fù)合結(jié)構(gòu)CrN涂層具有良好的機械性能及抗沖蝕防護特點，相關(guān)結(jié)果為強韌鈍一體高性能防護涂層材料研發(fā)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(fù)合zigzag結(jié)構(gòu)CrN涂層的設(shè)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(chuàng)新點

本文采用晶界取向設(shè)計zigzag復(fù)合結(jié)構(gòu)的思路，使涂層柱狀晶發(fā)生周期性偏轉(zhuǎn)形成“類彈簧”結(jié)構(gòu)，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(xiàn)晶體在彎曲和扭結(jié)面連續(xù)生長。通過構(gòu)筑不同界面取向的zigzag結(jié)構(gòu)，一方面可以吸收應(yīng)變能，協(xié)調(diào)沖擊變形，抑制裂紋產(chǎn)生或使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，提高涂層損傷容限；另一方面則利用連續(xù)不斷的涂層漸變生長利于提高層間結(jié)合力。

2. 重要結(jié)論

(1) 采用斜角磁控濺射技術(shù)，制備出CrN-zigzag復(fù)合涂層，涂層組織致密，呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)，zigzag結(jié)構(gòu)的存在并未打斷柱狀晶的連續(xù)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(jié)合強度（>48 N）。相比于常規(guī)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(xiàn)為明顯的脆性失效特征，在沖蝕中心區(qū)域涂層表現(xiàn)為塊狀破碎，表面布滿環(huán)形裂紋；CrN-zigzag復(fù)合涂層則呈明顯的脆性復(fù)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(yōu)異抗沖蝕性能得益于zigzag結(jié)構(gòu)設(shè)計，本質(zhì)歸因于其特殊的晶界取向設(shè)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。