热处理诱导的结构均匀化及TiN基x增强非晶复合涂层的多功能性能提升

《Surface and Coatings Technology》：Thermal treatment-induced structural homogenization and multifunctional performance enhancement in TiN x-reinforced amorphous composite coatings

FeCrMoCB-TiN_x复合涂层经400-500℃热处理后孔隙率降低，显微结构致密化，450℃时力学性能与耐腐蚀性协同优化，硬度提升且被动膜成分均匀，但500℃导致局部成分偏析。

　　

吴林涛|兰天然|王光宇|方凯|刘磊|张光远|张鑫|周泽华

中国江苏省常州市河海大学材料科学与工程学院，213200

摘要

基于铁的非晶复合涂层因其在恶劣环境中的优异耐腐蚀性和耐磨性而受到广泛研究。在本研究中，通过反应等离子喷涂制备的FeCrMoCB-TiN_x复合涂层分别经过400°C、450°C和500°C的热处理。系统评估了热处理对微观结构、局部力学性能和耐腐蚀性的影响。热处理促进了原子重排和应力释放，从而降低了孔隙率并提高了结构致密性。在450°C时，该涂层表现出最佳的力学和电化学性能平衡，具有较高的硬度、均匀的钝化膜组成以及最低的载流子密度。然而，过高的温度会导致局部偏聚和微观结构不均匀性，略微影响钝化稳定性。

引言

基于铁的非晶合金由于其独特的无序原子结构，结合了高硬度、优异的耐腐蚀性和耐磨性以及相对较低的成本，近年来被广泛认为是金属部件表面保护的有希望的材料[[1], [2], [3]]。然而，非晶合金固有的高脆性以及裂纹萌发和快速扩展的倾向，严重限制了其在复杂使用条件下的长期结构稳定性[[4], [5], [6]]。因此，如何通过复合设计和后处理工艺有效提升其整体性能成为非晶合金表面保护领域的关键研究方向。

迄今为止，已经提出了多种增强非晶基复合涂层的方法，主要分为两种途径。第一种是在非晶基体中引入延性相（如金属或金属间化合物）以提高断裂韧性并抑制裂纹扩展[7,8]，但这通常会降低整体硬度和耐磨性；而金属相在腐蚀性环境中容易发生局部腐蚀，可能削弱非晶基体的固有耐腐蚀性[9]。第二种方法是使用硬质陶瓷相（如TiN、WC、Al₂O₃）作为增强材料[[10], [11], [12]]，这些材料不仅提高了硬度和耐磨性，还形成了有效的异质界面，阻碍了脆性裂纹的随机扩展[13,14]。此外，陶瓷相的优异化学稳定性有助于在腐蚀性介质中形成致密稳定的氧化膜，从而保持甚至增强非晶基体的电化学耐腐蚀性[15,16]。

基于此，研究人员开发了一种由原位合成的TiN相增强的基于铁的非晶复合涂层[17,18]。与外部添加的增强材料相比，原位形成的TiN能更好地与非晶基体结合，降低孔隙率和界面缺陷，提高涂层的内部结构致密性和使用可靠性。然而，基于铁的非晶基体与陶瓷增强材料之间的热膨胀系数等物理性质差异可能导致热喷涂过程中产生残余应力和局部结构应力，从而影响涂层的整体性能[19,20]。因此，探索合适的后热处理工艺以释放内部应力、促进原子重排并稳定增强相对于进一步优化这类复合涂层的性能至关重要。

我们的先前研究表明，典型的FeCrMoCB非晶合金的玻璃化转变温度（Tg）约为500°C，结晶开始于约600°C。在玻璃化转变之前，非晶基体会发生一定程度的结构松弛[21]。同时，当温度超过约466°C时，原位合成的TiN相可能会发生结构重排和相关性能变化[22]。因此，选择一个低于Tg但足以引发应力松弛和界面优化的热处理温度范围尤为重要。

基于此，本研究聚焦于通过反应等离子喷涂制备的FeCrMoCB-TiN_x复合涂层，这些涂层在室温下分别经过400°C、450°C和500°C的热处理60分钟。通过SEM、XRD、XPS和AFM等多尺度表征技术以及纳米压痕和电化学测试，系统研究了热处理对微观结构演变、局部力学性能和电化学腐蚀行为的影响，以阐明热处理对复合涂层性能的多尺度协同调控作用。这些发现旨在为高性能基于铁的非晶复合涂层在苛刻环境中的工程应用提供理论指导和实验依据。

原材料与涂层制备

使用商业化的基于铁的非晶合金粉末（Fe₄₈Cr₂₃Mo₁₀C₁₄B₅，质量百分比54–120 μm）和商业化的Ti粉末（15–53 μm）作为原料。如图1所示，基于铁的非晶粉末呈球形，表面光滑；而Ti粉末则形态不规则，表面相对粗糙，这可能有助于热喷涂过程中的机械互锁和原位反应。

此外，基于铁的非晶合金粉末和

微观结构

图3展示了FeCrMoCB-TiN_x复合涂层在喷涂状态及不同温度下热处理后的截面形态。涂层厚度控制在350–400 μm范围内，以保证足够的硬度和保护性能。

从截面观察来看，随着热处理温度的升高，涂层的密度显著增加。

结论

本研究系统研究了在400°C、450°C和500°C下熔融热处理对通过反应等离子喷涂制备的FeCrMoCB-TiN_x复合涂层的微观结构、力学性能和电化学腐蚀行为的影响。主要结论如下：

(1)

在空气中400–500°C下热处理60分钟，有效降低了FeCrMoCB-TiN_x涂层的孔隙率并释放了残余应力，同时保持了非晶基体

作者贡献声明

吴林涛：撰写初稿、监督、方法论设计、实验实施、资金获取、概念构思。兰天然：软件使用、实验数据分析、正式分析。王光宇：资源调配、资金获取。方凯：数据可视化、实验辅助。刘磊：结果验证、资金获取。张光远：结果验证。张鑫：项目管理。周泽华：撰写修改、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52571380）、中央高校基本科研业务费（项目编号：B250201110、B250204021）以及南通市自然科学基金（项目编号：JC2024047）的资助。