镍改性TiAlN涂层中Ni3Ti纳米晶析出及其对力学性能的强化机制研究

《Materials Characterization》：Precipitation of Ni 3Ti nanocrystals in Ni-modified TiAlN coatings and its effects on mechanical properties of the coatings

本研究针对TiAlN涂层脆性较高的问题，通过多弧离子镀技术制备不同Ni含量的TiAlN-Ni涂层，发现适量Ni（6.39 at.%）可诱导Ni3Ti纳米晶析出，显著提升涂层断裂韧性（KIC从0.70增至2.15 MPa·m1/2），为高性能硬质涂层设计提供新策略。

　　

在高温防护涂层领域，TiAlN（氮化钛铝）涂层因其高硬度和优良的抗氧化性能被广泛应用于切削工具和航空航天部件。然而，传统TiAlN涂层存在固有脆性，其较低的断裂韧性易导致涂层在机械应力作用下发生裂纹扩展和早期失效，严重限制其在高负荷环境下的使用寿命。这一瓶颈问题促使研究人员探索通过微观结构改性提升涂层韧性的新途径。

近期发表于《Materials Characterization》的一项研究通过创新性地引入金属Ni（镍）对TiAlN涂层进行改性，系统揭示了Ni₃Ti（三钛化镍）纳米晶析出行为及其对涂层力学性能的调控机制。该研究由东北大学材料科学与工程学院Tianyu Ma、Li Xin等学者合作完成，通过精确调控Ni含量，成功实现了涂层韧性的大幅提升。

研究采用多弧离子镀技术（multi-arc ion plating system），通过调整基体与Ti-30Al靶和Ti-50Ni靶的距离，制备了Ni含量从0至14.74 at.%的系列TiAlN-Ni涂层。关键技术方法包括：利用多靶位空间布局控制元素掺入，结合X射线衍射（XRD）分析物相组成，通过扫描电子显微镜（SEM）观察柱状晶结构演变，采用纳米压痕仪测量硬度和Young's模量，并通过压痕裂纹法计算断裂韧性K_IC值。

物相与微观结构特征

研究发现，所有涂层均由c-Ti(Al)N（立方相氮化钛铝）和h-Ni₃Ti（六方相三钛化镍）纳米晶组成。随着Ni含量增加，涂层柱状晶平均宽度显著减小，表明Ni的添加抑制了晶粒生长，促进了纳米尺度微观结构的形成。

力学性能演变规律

涂层硬度在Ni含量0–6.39 at.%范围内保持稳定（约30.5 GPa），但当Ni含量进一步增加时，硬度显著下降。残余压应力和Young's模量均随Ni含量增加而单调降低。最具突破性的发现是断裂韧性的变化：当Ni含量为6.39 at.%时，K_IC值从基线的0.70 MPa·m^1/2大幅提升至2.15 MPa·m^1/2，增幅达207%；然而当Ni含量继续增加至14.74 at.%时，K_IC回落至1.27 MPa·m^1/2。

韧性增强机制

研究通过微观力学分析揭示，韧性的显著提升主要归因于两个协同机制：一是h-Ni₃Ti相作为一种相对韧性相，在裂纹扩展过程中通过塑性变形有效钝化裂纹尖端；二是涂层中适度的残余压应力场改变了裂纹驱动力的分布状态，进一步抑制了裂纹扩展。

该研究结论表明，通过控制Ni含量在约6.39 at.%附近，可实现TiAlN涂层韧性的大幅改善而不牺牲其硬度。这种通过纳米级第二相析出和微观结构精细调控的协同强化策略，为发展新一代高性能硬质涂层提供了重要理论基础和技术途径。值得注意的是，过量Ni添加会导致硬度下降和韧性回落，说明成分精确控制是实现性能优化的关键。研究成果对开发适用于极端工况的高耐久性涂层材料具有重要指导意义。