沉积温度对采用磁控溅射技术在SuperNi-718基材上制备的CoCrAlHf/YSZ涂层微观结构、界面质量及纳米力学性能的影响

《Surfaces and Interfaces》：Influence of Deposition Temperature on the Microstructure, Interface Quality, and Nanomechanical Properties of CoCrAlHf/YSZ Coatings on SuperNi-718 via Magnetron Sputtering

本研究通过磁控溅射在SuperNi-718合金上制备CoCrAlHf/YSZ多层涂层，探究沉积温度（200°C、250°C、300°C）对涂层结构、界面及纳米力学性能的影响。结果表明，250°C涂层具有最佳结晶性、硬度（达18.9 GPa）和界面结合强度，无孔隙或分层，适用于高温高应力环境如涡轮叶片和航空发动机。

　　这项研究围绕着一种新型的多层涂层材料——CoCrAlHf/YSZ，在SuperNi-718合金基底上通过磁控溅射技术进行沉积，重点探讨了沉积温度对涂层结构、界面以及纳米力学性能的影响。SuperNi-718合金因其优异的高温强度和抗氧化能力，常用于燃气轮机和航空发动机等高温工作环境。为了提升这些关键部件的耐久性和性能，研究者采用磁控溅射技术来制备具有高硬度和良好附着力的涂层，从而在高温和高应力条件下实现更长的使用寿命。

磁控溅射技术因其能够精确控制沉积参数而受到越来越多的关注，尤其是在热障涂层（TBCs）领域。TBCs通常由陶瓷顶层（如YSZ）和金属底层（如CoCrAlY）组成，它们共同作用以保护基底材料免受高温氧化和机械疲劳的影响。然而，传统的喷涂技术，如等离子喷涂和电子束物理气相沉积（EB-PVD），在实际应用中存在诸多局限，如附着力不足、微观结构不均匀以及热循环疲劳寿命较短等问题。这些问题促使研究者寻找更先进的沉积方法，以实现对涂层性能的更精细控制。

本研究通过在200°C、250°C和300°C三个温度下沉积CoCrAlHf/YSZ涂层，系统分析了沉积温度对涂层结构、界面和纳米力学性能的影响。结果表明，随着沉积温度的提高，涂层的结晶度、晶粒生长以及涂层厚度都有所改善，其中250°C的样品在硬度、附着力和界面完整性方面表现出最佳的综合性能。硬度值在低载荷下达到了18.9 GPa，这表明涂层在承受机械载荷时具有较强的抗变形能力。此外，250℃的样品在界面处展现出良好的结合状态，几乎没有孔隙或分层现象，说明在这一温度下，涂层与基底之间的结合更为紧密，界面稳定性更高。

通过能量色散光谱（EDS）分析和截面扫描电镜（FESEM）观察，研究者进一步确认了涂层的致密性和良好的界面结合。这些分析结果显示，在没有发生界面不稳定性的情况下，即在250°C的沉积温度下，涂层的微观结构更为均匀，界面结合更为牢固。相比之下，200°C和300°C的样品在某些方面表现不佳，如附着力或界面完整性，这可能是由于沉积温度过高或过低导致的微观结构变化。因此，250°C的沉积温度被认为是最优的选择，能够有效提升涂层的综合性能。

在纳米划痕实验中，研究者进一步验证了不同沉积温度下涂层的附着力情况。结果显示，250°C的样品表现出更强的附着力，这表明沉积参数与界面行为之间存在良好的相关性。这一发现对于优化涂层的制备工艺具有重要意义，特别是在高温和高应力的应用环境中，如燃气轮机叶片和航空发动机部件，涂层的附着力和界面完整性是决定其使用寿命的关键因素。

除了附着力和界面完整性，研究还关注了沉积温度对涂层硬度和耐磨性的影响。通过纳米压痕测试，研究者发现250°C的样品在低载荷下具有最高的硬度值，这表明其在承受机械载荷时具有更强的抗变形能力。同时，研究者还对涂层的微观结构进行了详细分析，发现随着沉积温度的升高，涂层的晶粒尺寸有所增大，这有助于提升其硬度和断裂韧性。这些结果表明，沉积温度的调控对涂层的微观结构和性能具有显著影响，从而影响其在高温环境下的表现。

研究还强调了沉积温度对涂层热稳定性和机械性能的重要性。在高温工作环境中，涂层需要具备良好的热稳定性，以防止因热膨胀或热应力导致的结构破坏。因此，沉积温度的优化不仅能够提升涂层的硬度和附着力，还能增强其热稳定性，使其能够在极端条件下保持良好的性能。这一研究的发现对于推动高性能TBCs的发展具有重要意义，尤其是在燃气轮机和航空发动机等关键领域。

在材料和方法部分，研究者详细介绍了所使用的基底材料和涂层材料。SuperNi-718合金作为基底材料，因其优异的高温强度和抗氧化能力而被广泛应用于高温环境。CoCrAlHf合金则作为金属底层材料，因其在高温下的良好机械性能而成为理想的选择。YSZ-ZrO?陶瓷材料作为顶层，因其低热导率和高断裂韧性而被广泛使用。这些材料的组合使得涂层在高温和高应力环境下具有更强的保护能力。

为了确保实验的准确性，研究者采用了多种分析技术，包括X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、纳米压痕测试、原子力显微镜（AFM）以及纳米划痕测试等。这些技术能够全面评估涂层的结构、界面和力学性能。例如，XRD分析用于确定涂层的结晶度和相组成，FESEM图像用于观察涂层的表面形貌和界面结构，纳米压痕测试用于评估涂层的硬度和弹性模量，而纳米划痕测试则用于检测涂层的附着力和界面完整性。

在对样品1在200°C下沉积的涂层进行FESEM分析时，研究者发现其厚度约为1.58微米。涂层的厚度对于提供足够的覆盖保护基底材料至关重要，尤其是在高温环境下，较厚的涂层能够更好地抵抗热应力和氧化作用。此外，FESEM图像显示，涂层的表面形貌较为均匀，没有明显的缺陷或分层现象，这表明其在沉积过程中具有良好的稳定性。截面图像进一步确认了涂层的致密性，表明其在沉积后具有良好的结构完整性。

在讨论部分，研究者深入分析了沉积温度对涂层结构、结晶度和机械性能的影响。他们指出，沉积温度的变化不仅影响涂层的微观结构，还对涂层的硬度、附着力和耐磨性产生显著影响。研究者还参考了Thornton结构区模型（SZM），该模型能够解释涂层在不同沉积条件下形成的微观结构。根据该模型，涂层的结构和性能与沉积温度密切相关，因此在优化沉积参数时需要综合考虑这些因素。

此外，研究者还指出，尽管已有大量关于TBCs的文献和研究，但大多数研究仅关注结构特征或溅射参数，而忽略了沉积温度对纳米力学性能的影响。因此，本研究的发现填补了这一领域的空白，为未来的涂层研究提供了新的视角和方法。研究者强调，沉积温度的优化对于提升涂层的综合性能具有重要意义，尤其是在高温和高应力的应用环境中，如燃气轮机叶片和航空发动机部件。

在结论部分，研究者总结了沉积温度对CoCrAlHf/YSZ涂层结构、纳米力学性能和界面特性的影响。他们指出，沉积温度的调控是提升涂层性能的关键因素，特别是在高温应用中。250°C的沉积温度被认为是最优的选择，能够有效提升涂层的硬度、附着力和界面完整性。这些结果表明，通过优化沉积温度，可以实现高性能的TBCs，从而提高关键部件的使用寿命和可靠性。

研究者还提到，这一研究的发现对于推动高性能TBCs的发展具有重要意义，特别是在燃气轮机和航空发动机等高温工作环境中。这些关键部件在运行过程中需要承受极端的温度和应力，因此涂层的性能直接影响其使用寿命和可靠性。通过本研究，研究者为未来的涂层研究提供了重要的理论支持和实验数据，有助于进一步优化涂层的制备工艺。

此外，研究者还强调了团队成员在研究中的贡献。Syed Faizan Altaf作为通讯作者，负责研究的构思、数据分析和撰写工作；Atikur Rahman协助实验的实施，并参与了数据的分析和论文的撰写；MF Wani则负责研究的设计、数据分析和论文的修订。这些贡献确保了研究的顺利进行和高质量的成果产出。

研究者还提到，所有作者确认了该研究的原创性，并且没有在其他地方发表。每位作者都对研究和论文的撰写做出了重要贡献，所有作者都审阅并批准了最终的论文。此外，研究者还声明了不存在任何利益冲突，确保了研究的公正性和可信度。

综上所述，这项研究通过系统分析沉积温度对CoCrAlHf/YSZ涂层性能的影响，揭示了沉积温度在提升涂层硬度、附着力和界面完整性方面的重要性。研究者采用多种先进的分析技术，确保了实验数据的准确性和可靠性。这些发现不仅有助于优化涂层的制备工艺，还为未来的高温应用提供了重要的理论支持和实践指导。通过这一研究，研究者为高性能TBCs的发展做出了重要贡献，推动了材料科学和工程领域的进步。