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海洋環(huán)境下物理氣相沉積氮/碳基抗磨蝕涂層的研究進(jìn)展

2022-04-21 15:34:40 作者：表面技術(shù) 來源：表面技術(shù) 分享至：

作者簡介

通訊作者

汪愛英，博士，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所二級研究員、博士生導(dǎo)師，所屬材料技術(shù)所所長，中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室副主任。主要從事表面強化防護(hù)涂層與功能改性技術(shù)領(lǐng)域的研究。發(fā)表論文150余篇，授權(quán)發(fā)明專利62項，4項成果獲轉(zhuǎn)化應(yīng)用。擔(dān)任中國真空學(xué)會理事/薄膜專委會副主任、中國機(jī)械工程學(xué)會摩擦學(xué)分會理事/表面工程分會常務(wù)委員等。

文章簡介

海洋環(huán)境下物理氣相沉積氮/碳基抗磨蝕涂層的研究進(jìn)展

海洋環(huán)境下物理氣相沉積氮碳基抗磨蝕涂層的研究進(jìn)展.pdf

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本文綜述了海洋環(huán)境氮基與碳基抗磨蝕防護(hù)涂層及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)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(shù)的優(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)計對涂層力學(xué)特性、磨蝕性能的影響，歸納了海水磨蝕環(huán)境中涂層失效分析方法和損傷機(jī)理。最后，對新型海洋抗磨蝕功能防護(hù)涂層的未來發(fā)展方向做了思考與展望。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；物理氣相沉積；氮基涂層；碳基涂層；磨蝕性能；失效機(jī)理

01 背景介紹

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。發(fā)展先進(jìn)海洋工程裝備已成為實現(xiàn)國家海洋強國重大戰(zhàn)略的重要保障。在海洋高濕、高熱、高鹽、重載等服役環(huán)境中，船舶推進(jìn)器軸承、潛艇浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水下機(jī)器人關(guān)節(jié)、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(guān)鍵運動部件，面臨嚴(yán)苛的力學(xué)-摩擦學(xué)-電化學(xué)腐蝕耦合加劇性能退化失效問題，這嚴(yán)重影響海工裝備的高性能、長壽命、安全可靠服役。基于先進(jìn)的表面工程材料技術(shù)，設(shè)計和發(fā)展海洋環(huán)境用高性能抗磨蝕防護(hù)涂層材料，已成為材料科學(xué)、機(jī)械摩擦學(xué)和海洋學(xué)科領(lǐng)域的研究交叉前沿。

海洋環(huán)境中摩擦運動部件面臨的威脅

02 論文配圖

1 海洋環(huán)境中耐磨蝕涂層的制備技術(shù)

目前，抗磨蝕涂層的制備技術(shù)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(shù)，不同技術(shù)制備的防護(hù)涂層性能各異。在海洋嚴(yán)苛環(huán)境下，與陶瓷和金屬基復(fù)合涂層相比，氮/碳基涂層表現(xiàn)出較低的腐蝕電流密度和磨損率，是未來發(fā)展閥門、柱塞、軸承等海洋裝備運動摩擦配副表面防護(hù)涂層的理想選擇。

抗磨蝕涂層在海水環(huán)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(jìn)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(fù)合組分與結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)控，能提高材料致密度，減少腐蝕介質(zhì)滲透，進(jìn)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(jìn)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(xué)、摩擦學(xué)和化學(xué)惰性非常優(yōu)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(jìn)一步提高PVD碳基涂層的結(jié)構(gòu)致密性，突破涂層強韌多功能防護(hù)協(xié)同，獲得多種基體表面的強牢靠膜基結(jié)合，被認(rèn)為是實現(xiàn)碳基涂層長壽命抗磨蝕防護(hù)服役的共性科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)。通過引入過渡層、摻雜金屬或非金屬元素、制備多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，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(huán)境下的磨損率

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

Cr/WC/a-C梯度多層涂層結(jié)構(gòu)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(dá)基體的路徑，且優(yōu)化功能頂層，實現(xiàn)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(jī)理研究

海洋環(huán)境復(fù)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(jié)構(gòu)表征困難，涂層相關(guān)磨蝕失效機(jī)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(fā)生表面鈍化膜破環(huán)和再生成過程，當(dāng)鈍化膜被摩擦破壞后，暴露出較高電化學(xué)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(xué)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(chǎn)生的磨坑、裂紋腐蝕等通道侵入涂層/基體界面，誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，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(xué)及電化學(xué)相互影響的復(fù)雜動態(tài)過程，如何具體從微觀尺度、原位表征以及苛刻環(huán)境模擬評價角度，進(jìn)一步明晰涂層磨蝕失效機(jī)理，并提出延壽防護(hù)新策略，仍面臨挑戰(zhàn)。

03 結(jié)語

設(shè)計和開發(fā)先進(jìn)的海洋抗磨蝕防護(hù)涂層材料與應(yīng)用技術(shù)，對于支撐我國海洋工程裝備的發(fā)展和海洋強國戰(zhàn)略實施具有重要的科學(xué)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(huán)境，材料表/界面面臨更復(fù)雜的摩擦、腐蝕、磨蝕、疲勞、甚至微生物污損等動態(tài)服役性能挑戰(zhàn)，這對傳統(tǒng)的防護(hù)涂層材料理論、實驗測試方法、制備儀器設(shè)備等都提出了更高挑戰(zhàn)需求。一方面，需進(jìn)一步通過涂層組分/結(jié)構(gòu)調(diào)控和優(yōu)化設(shè)計，減少表/界面缺陷和膜基界面熱力學(xué)不匹配，來實現(xiàn)涂層高硬度/低摩擦/強韌/功能防護(hù)的一體協(xié)同。另一方面，需進(jìn)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(xué)惰性涂層的測試儀器，并建立相關(guān)磨蝕檢測標(biāo)準(zhǔn)方法，例如掃描開爾文探針、掃描探針電化學(xué)顯微鏡等，這有望為深入理解和揭示復(fù)雜海洋環(huán)境中涂層的力學(xué)-化學(xué)-電化學(xué)耦合服役行為和損傷失效機(jī)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(jìn)一步完善材料海洋室內(nèi)性能測試、實海掛片動態(tài)模擬、深遠(yuǎn)海臺架服役評測、甚至原位動態(tài)結(jié)構(gòu)表征的平臺。這不僅是未來發(fā)展海洋先進(jìn)防護(hù)材料技術(shù)的重要內(nèi)容，也已成為材料科學(xué)、機(jī)械摩擦學(xué)、表面技術(shù)、海洋工程領(lǐng)域的交叉前沿方向。

引文格式：

李淑鈺，劉應(yīng)瑞，郭鵬，孫麗麗，柯培玲，汪愛英*. 海洋環(huán)境下物理氣相沉積氮/碳基抗磨蝕涂層的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù)， 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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