钛合金在高温暴露时的抗氧化能力不足，大大限制了其应用。本文利用800°C循环氧化过程中界面的互扩散和互反应，设计了一种特殊的双层氮化物涂层，在800°C的空气中长达200小时，40次循环不会发生明显的开裂或层裂，也不会形成明显的氧化膜。该镀膜系统具有大规模工业化生产的潜力。
由于钛及钛合金的低密度、高比强度和优异的耐腐蚀性，广泛应用于航空发动机燃气轮机(如风扇叶片、压气机等)、汽车工业和医学植入物领域。众所周知，提高燃气轮机的进口温度可以提高发动机效率，从而提高化石燃料效率。然而，钛合金在高温暴露时的抗氧化能力不足，大大限制了其应用。在许多应用中，尤其在航空发动机设计方面，人们希望在更高的温度下使用钛或其合金，但氧化或火灾的威胁仍然是一个长期存在的挑战。
来自英国的曼彻斯特大学和曼彻斯特城市大学的一项最新联合研究，利用800°C循环氧化过程中界面的互扩散和互反应，设计了一种特殊的双层氮化物涂层，从而调节涂层与基体之间的热失配应变，为优异性能的合金涂层提供了新的设计途径。相关论文以题为“ A conformable high temperature nitride coating for Ti alloys ”于近日发表在Acta Materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.051
在该项工作中，研究人员采用磁控溅射技术在Ti和Ti6Al4V合金表面制备了Mo过渡层(300 Nm)。利用800°C循环氧化过程中界面的互扩散和相互反应，形成了由SiAlN顶层、TiN0.26和Ti5Si3混合相中间层和Ti-Mo固溶体组成的层状氮化物涂层体系，使其具有较强的扩散结合和优异的抗氧化性能。通过研究发现，新型TiN0.26中间层由于通过机械孪生表现出自适应的整合性，从而调节涂层与基体之间的热失配应变。涂层在800°C的空气中循环氧化数百小时(>40次)后不会开裂、剥落和氧化。
图1 沉积态SiN/Mo涂层的微观结构
图2 界面强化和抗氧化性
图3 SiAlN/ Mo涂层的抗氧化性以及涂层表面（顶部）和裸露表面（左侧）的SEM截面图
图4 划痕试验样品的微观结构和元素分布
图5 循环氧化试样的微观结构和元素分布
图6 氧化100h后SiAlN涂层的微观结构
图7 原状和层状氮化物涂层系统示意图
图8 经过800°C/100h循环氧化后的层状涂层系统中TiN0.26相的微观结构
总的来说，这项研究的双层氮化钛涂层，由于互扩散和互反应，层状氮化物涂层系统在热暴露后表现出增强的附着力，并且它可以自适应地进行广泛的热循环(在800°C的空气中长达200小时，40次循环)，不会发生明显的开裂或层裂，也不会形成明显的氧化膜。这种含Mo中间层的SiAlN涂层也可用于其它钛合金，甚至γ-TiAl金属间化合物合金。此外，由于磁控溅射技术的可扩展性和相对较低的成本，该镀膜系统具有大规模工业化生产的潜力，同时在医学植入物领域的涂层中也具有潜在的应用前景。（文：冯冯）
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