梯度过渡Ti/TiAlN多层涂层的强韧化设计与多角度抗冲蚀机理研究

为解决航空发动机压气机叶片在沙尘环境中易受冲蚀损伤的难题，研究人员采用多源阴极弧离子镀技术制备了具有梯度过渡复合软/硬交替层状结构的Ti/TiAlN多层涂层。研究揭示该涂层通过硬质TiAlN层抵抗低角度切削、韧性Ti层促进高角度塑性变形，以及晶粒细化和位错增殖等协同机制，实现结合强度72 N、硬度25.1 GPa、冲蚀深度降低20%的优异性能，为航空叶片多角度抗冲蚀防护提供了新思路。

　　

在沙漠等恶劣环境中，航空发动机压气机叶片时刻面临高速气流裹挟沙粒的致命威胁——这些微小颗粒以不同角度撞击叶片表面，如同无数把微型刻刀持续切削金属，导致叶片几何形状改变、气动性能骤降，最终引发发动机效率下降甚至故障。传统硅酸盐涂层在极端条件下防护力不足，而单纯提高硬度又易引发脆性开裂，如何平衡硬度与韧性成为国际涂层领域的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，宁波材料技术与工程研究所（中国科学院宁波材料所）的研究团队创新性地采用多源阴极弧离子镀系统，在Ti-6Al-4V基体上构建了具有梯度过渡特性的Ti/TiAlN软硬交替多层涂层。这项发表于《Journal of Materials Science》的研究通过微柱压缩实验和异物损伤测试，首次系统揭示了多层结构在多变角度冲蚀下的协同防护机制。

研究团队运用三项关键技术：多源阴极弧离子镀实现Ti/TiAlN周期结构的精确调控；空气炮冲击试验模拟30°-90°多角度冲蚀场景；原位纳米力学测试结合聚焦离子束(FIB)切片技术解析微观变形机制。通过对比不同沉积周期(3-72层)的涂层性能，发现12层结构展现出最佳综合特性。

微结构表征显示涂层呈现清晰的层状交替结构，硬质TiAlN层(25.1 GPa)与韧性Ti层形成周期性应力缓冲带。力学性能测试测得涂层结合强度超72 N，弹性模量达304.3 GPa，较基体冲蚀深度降低20%以上。多角度冲蚀分析表明：30°冲击时TiAlN层通过晶粒细化和穿晶微裂纹扩展抵抗切削；90°冲击下Ti层通过变形孪晶和位错增殖耗散应变能。

研究结论指出，这种"刚柔并济"的设计策略中：陶瓷层(TiAlN)通过¹晶界强化(GB strengthening)和²微裂纹偏转缓解应力集中；金属层(Ti)则借助³位错滑移(dislocation slip)和⁴孪晶变形(twinning)提升韧性。该工作不仅为航空发动机叶片防护提供了新型涂层设计方案，其揭示的"角度适应性"变形机制更为多功能防护涂层的跨尺度设计奠定了理论基础。值得注意的是，团队发现当沉积周期超过24层时，界面应力累积反而会导致性能下降，这一发现为工业化生产中的参数优化提供了关键阈值。