微观结构、机械性能和附着力对TC4合金上纳米晶（TiZrNbTaMo）N高熵氮化物涂层抗空化侵蚀能力的影响

《Materials Today Communications》：Role of microstructure, mechanical performance, and adhesion on cavitation erosion resistance of a nanocrystalline (TiZrNbTaMo)N refractory high-entropy nitride coating on TC4 alloy

空化腐蚀环境下高熵氮化物涂层对钛合金的协同抗腐蚀与抗空蚀性能研究。采用辉光放电沉积法制备(TiZrNbTaMo)N纳米晶涂层，其硬度达39.3±0.5GPa，接近超硬材料阈值。在人工海水环境中经12小时空化腐蚀测试，涂层使钛合金腐蚀电流密度降低1-2个数量级，重量损失减少5倍，验证了高熵氮化物涂层在复杂腐蚀-机械协同作用下的优异性能。

　　在现代工程和材料科学领域，材料在复杂环境中的性能表现尤为关键。特别是在海洋工程中，由于海水等腐蚀性液体的长期作用，金属部件面临着严峻的挑战。其中，空化侵蚀（cavitation erosion）是一个普遍存在的问题，它不仅影响设备的使用寿命，还可能导致严重的结构损坏。为了应对这一问题，研究人员致力于开发具有优异抗空化侵蚀和耐腐蚀性能的新型材料。本文介绍了一种基于高熵氮化物（refractory high-entropy nitride, RHEN）的纳米涂层技术，通过在钛合金（TC4）基底上合成具有单相岩盐结构的（TiZrNbTaMo）N涂层，有效提升了材料在流体环境中的耐久性。

空化侵蚀通常发生在高速流动的液体中，例如在船舶螺旋桨、水轮机、离心泵叶轮和水翼等设备上。这种现象主要由微气泡的快速破裂所引起，其产生的微喷射和冲击波会对金属表面造成剧烈的机械冲击，从而导致材料的塑性变形和脆性断裂。然而，在高度腐蚀性的环境中，如海洋环境中，空化侵蚀与电化学腐蚀的协同作用使得材料的损耗更加严重。在这种情况下，单纯的机械侵蚀或电化学腐蚀都不能准确描述材料的失效机制，而是需要综合考虑两者的相互影响。

针对这一问题，研究者们提出了多种解决方案，其中表面改性技术被认为是提高材料抗空化侵蚀和耐腐蚀性能的有效手段。这类技术通常包括涂层沉积、表面合金化、热处理等方法，其核心在于通过改变材料的表面组成和结构，使其具备更高的硬度、良好的弹性、均匀的晶粒尺寸以及优异的耐腐蚀能力。例如，一些研究表明，通过特定的表面处理技术，如包覆渗铬（pack chromizing），可以在不锈钢基底上形成具有优良抗空化侵蚀性能的Cr富集扩散层。此外，高熵陶瓷（high-entropy ceramics, HECs）因其高度可调的组成和独特的物理化学性能，也引起了广泛关注。

在这些材料中，高熵氮化物（RHENs）因其在极端工作环境下的优异表现而被认为具有广阔的应用前景。RHENs涂层通常由五种或更多种难熔金属元素以接近等摩尔比组成，氮原子则占据阴离子位置。这种结构赋予了RHENs涂层许多优良特性，包括超高熔点、卓越的机械性能、出色的耐腐蚀能力和良好的热稳定性。因此，RHENs涂层被认为是应对空化侵蚀和腐蚀联合效应的有力工具。

本研究采用双阴极等离子体反应溅射沉积法，在TC4钛合金基底上制备了（TiZrNbTaMo）N高熵氮化物纳米涂层。该涂层表现出均匀的纳米晶结构，平均晶粒尺寸约为11.3纳米，硬度达到39.3±0.5 GPa，接近超级硬材料的硬度阈值（40 GPa）。为了评估该涂层在空化侵蚀环境下的性能，研究者们使用了磁致伸缩诱导超声空化系统，并在人工海水环境中对涂层进行了不同时间的空化侵蚀测试。同时，结合多种电化学方法，监测了涂层在不同空化侵蚀时间下的电化学行为。

实验结果表明，经过12小时的人工海水空化侵蚀测试后，未涂层的TC4钛合金的累计质量损失约为涂层材料的五倍。这表明，（TiZrNbTaMo）N涂层在抑制空化侵蚀和腐蚀方面表现出显著优势。进一步分析发现，该涂层不仅提高了材料的机械性能，还通过改变电化学行为，有效提升了其抗腐蚀能力。具体而言，涂层的自由腐蚀电位向更正的方向移动，腐蚀电流密度显著降低，达到了未涂层材料的百分之一甚至千分之一水平。

在微观结构方面，研究通过X射线衍射（XRD）分析了涂层的相结构，并结合光学显微镜和扫描电镜（SEM）对涂层的表面形貌进行了观察。结果显示，该涂层具有均匀的单相岩盐结构，晶粒尺寸细小且分布均匀。这种结构有助于提高涂层的硬度和弹性模量，从而增强其对空化侵蚀的抵抗能力。此外，涂层的晶粒尺寸和结构均匀性也对电化学性能产生了积极影响，使其在腐蚀环境中表现出更高的稳定性。

在材料性能的提升方面，该涂层不仅改善了表面硬度，还增强了材料的弹性性能。高硬度和良好的弹性是抗空化侵蚀涂层的关键性能指标，因为它们能够有效吸收由气泡破裂产生的冲击能量，从而减少对材料表面的破坏。同时，涂层的细晶结构也提高了其抗裂纹扩展的能力，进一步增强了其在动态载荷下的稳定性。此外，该涂层在干滑动磨损测试中也表现出良好的性能，这表明其不仅适用于流体环境，还可能在其他磨损严重的应用场景中具有广泛潜力。

值得注意的是，虽然RHENs涂层在实验室条件下展现出优异的性能，但在实际应用中仍需进一步研究其长期稳定性。特别是在海洋环境中，涂层可能会受到盐雾、微生物附着、水流冲击等多重因素的影响，这些因素可能会对涂层的性能产生不利影响。因此，未来的研究需要关注涂层在复杂环境下的耐久性，以及其在不同工况下的表现。

此外，涂层的制备工艺也是一个重要的研究方向。本文采用的双阴极等离子体反应溅射沉积法是一种高效的表面改性技术，但其参数优化和工艺控制仍需深入探讨。例如，溅射功率、气体流量、沉积时间等参数都会对涂层的性能产生影响，因此需要建立一套系统的工艺优化方法，以确保涂层在不同应用场景下都能保持最佳性能。

在实际应用中，RHENs涂层不仅可以用于海洋工程，还可以拓展到其他需要高抗侵蚀和耐腐蚀性能的领域，如航空航天、化工设备、海洋平台等。这些应用场景通常伴随着高温、高压和强腐蚀性环境，因此对材料的性能要求极高。RHENs涂层因其独特的物理化学性质，能够满足这些苛刻条件下的使用需求。

总之，本研究通过在TC4钛合金基底上沉积（TiZrNbTaMo）N高熵氮化物纳米涂层，成功提升了材料在空化侵蚀和腐蚀联合环境下的性能表现。涂层的高硬度、良好的弹性以及细晶结构使其在抑制材料损耗方面表现出色，同时其优异的电化学性能也显著提高了材料的耐腐蚀能力。这些研究成果为开发高性能的抗侵蚀和耐腐蚀材料提供了新的思路和方向，具有重要的理论和应用价值。未来，随着研究的深入和技术的进步，RHENs涂层有望在更多工程领域中得到广泛应用。