《Materials Today Communications》：The Friction and Wear as well as Corrosion Resistance Properties of Bearing Steel with Multi-interface Structural Coatings: A review
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本综述系统评述了多界面结构涂层这一新兴设计范式，用于解决传统单层涂层在防护轴承钢摩擦磨损与腐蚀方面的局限性。文章建立了集涂层设计、沉积方法与界面控制于一体的统一分析框架，重点阐释了通过材料选择（如CrN、TiAlN、DLC等）、结构层次设计（如梯度、纳米多层）及先进制备技术（PVD、CVD、电镀、热喷涂）的协同优化，可显著提升涂层的硬度、耐磨性与耐腐蚀性。尽管面临界面应力积累、成本控制等挑战，该涂层体系为下一代高性能轴承系统提供了明确的工程化路径。
1. 引言
工业技术的持续发展对机械零部件性能提出了更高要求。摩擦磨损是所有具有运动接触界面的摩擦学系统中常见的失效模式。轴承作为摩擦学系统中的重要旋转部件，直接关系到机械设备的效率与可靠性。轴承钢因其优异的机械性能和低成本被广泛应用于各个行业。高硬度、优异的耐磨性和尺寸稳定性是对轴承钢的基本要求。然而，轴承钢在服役过程中，尤其是在高速、高温、重载等恶劣工况下，会发生摩擦学性能退化。涂层作为保护屏障，通过防止与腐蚀介质直接接触，可大大提高耐腐蚀性。轴承钢表面的多界面结构涂层能显著降低磨损率并提高耐腐蚀性，从而克服了传统涂层设计在从温和到恶劣的各种环境中部件防护失效的基本问题。与常规涂层不同，多界面结构涂层展现出更好的热稳定性和更优异的机械性能。
2. 多界面涂层结构的设计分析与构建
多界面复合层涂层的结构能够实现均匀的应力分布，降低界面应力集中，从而同时改善结合力和断裂韧性。多层结构还有助于修复涂层内部缺陷。与整体式结构相比，多层结构具有更高的界面密度，这有助于降低孔隙率和缺陷，提高抗断裂能力。单界面涂层制备简单，避免了复杂的多层沉积过程，但其性能存在固有局限性。多界面涂层的制备复杂，通常需要顺序沉积和精确的层间工程设计。通过在多个层面上优化材料和结构，多界面设计可获得比单界面设计更优的耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性，以及更长的服役寿命。
2.1. 材料选择对多层涂层设计的影响
较差的基体结合力以及制备过程中产生的高残余应力限制了单层涂层系统的有效性。这些问题促使了多层结构的发展，即通过顺序沉积具有交替材料成分或梯度特性的层到基体上。涂层与基体材料性能的过大差异限制了实现所需系统完整性的合适组合。材料选择对实现目标涂层性能至关重要，因为这些材料提供了涂层基本的保护功能。多层涂层的性能取决于各层材料的基本性能。通过选择具有不同性能的材料并以合理的方式将其集成在涂层结构中，可以有效地利用每种材料的协同优势来增强涂层的综合性能。典型的涂层材料包括金属、陶瓷、复合材料和聚合物材料。例如，金属和陶瓷涂层通常包含Cr、Ni、Ti、Zn等元素，其良好的机械性能促进了先进摩擦学涂层的发展。基体与涂层材料之间性能的显著差异需要进行兼容性优化以提高性能。材料性能极大地影响多层涂层系统的性能，因此在设计阶段必须谨慎选择材料。
2.2. 涂层多界面设计的结构层次
涂层微观结构变化很大，从简单的单相结构到单层、复合或梯度形式的复杂多相结构。典型的多层涂层由若干单个涂层构成，每个单独层具有不同的磨损机制。调整涂层层次、改变连续层的结构或化学成分有助于实现多个目标性能的改善。多层涂层主要由两种或多种不同材料的薄层构成。这些层以规则方式堆叠，厚度在微米量级。这种结构比整体涂层具有更好的机械和热性能，针对特定应用可改善性能。多层涂层提供的设计灵活性允许精确控制表面性能，赋予特定的性能优势。通过精心安排每一层，这种多层结构可以满足不同的性能需求。
多层涂层中子层的顺序沉积过程中的重复成核可以最小化晶粒尺寸，从而抑制缺陷和孔隙的生长。细晶结构、优化的硬度与弹性模量比以及基于银的转移膜的形成改善了耐磨性。在特定条件下，多层涂层通过其界面结构内的机制提高了耐腐蚀性。然而，整体式TiN涂层中缺陷性的晶界网络不能提供足够的阻挡保护。添加Si中间层可将AlN/Si多层形貌细化为纳米级域，并减少针孔形成。这种微观结构变化源于受限的结晶动力学。多层结构改善了界面应力分布，减少了应力集中，从而提高了耐腐蚀性和耐磨性。
过渡层位于涂层结构的基层和中间层之间，通常起到缓冲和连接基体与涂层的作用。这些涂层有助于缓解这些材料相对于基体的热膨胀系数变化。因此，多层结构设计有助于缓解运行过程中产生的热应力和机械应力，改善界面结合力和抗疲劳性。中间层是涂层结构中的过渡组件，可提高整体性能。它位于过渡层之上，由单相或复合材料组成，通过提供机械支撑和使应力分布均匀来改善涂层完整性。
2.3. 多界面设计的关键因素
轴承应用要求严格的机械和热条件，这是整体材料无法可靠满足的。但多层涂层在摩擦学条件下表现出低摩擦系数、优异的耐磨性、高结合强度和良好的抗裂纹扩展能力。多层结构由堆叠的单个层组成，其中界面设计侧重于兼容性和结构优化，材料选择需要性能匹配，结构设计涉及特定的界面几何形状（体积/构型）、层厚度和微观结构特征（晶粒尺寸、织构、位错密度）。
结合完整性和涂层性能由涂层与基体之间的界面特性决定。长期的耐腐蚀性主要取决于涂层的连续性和结构完整性。研究表明，提高结合强度可大大延长腐蚀防护系统的服役寿命。在实践中，单层涂层的性能通常受到结合力差和内应力高的限制，导致过早失效，并且还受到基体表面粗糙度和沉积及服役过程中残余应力的强烈影响。粗糙基体上较差的结合力和耐腐蚀性主要源于残余应力和界面缺陷，这些缺陷降低了结合强度并导致涂层剥落。涂层技术的选择取决于涂层类型、所需厚度和基体兼容性；服役性能还取决于界面强度、断裂韧性、厚度和其他材料参数的组合。在多界面涂层中，界面性能与涂层厚度之间的关系是一个关键的设计参数。更高的界面密度能有效阻挡位错传播，提高机械强度和热稳定性。材料选择必须由机械属性以及表面/摩擦学性能（包括粗糙度、摩擦系数和耐磨性）共同决定。
3. 轴承钢多界面结构涂层的设计与制备
在轴承钢上合成多界面涂层需要先进的技术和跨不同制造方法的精确工艺控制。界面结构强烈控制多层性能，从而改变物理和机械性能。保护性涂层沉积在保持基体完整性的同时，改善了摩擦学性能。多层结构涂层的制备如图所示。每种沉积方法通过特定的物理或化学键合产生均匀、牢固的涂层-基体结合力。
物理气相沉积（PVD）能够通过真空相冷凝然后在低温基体上沉积来生产固体薄膜。在PVD涂层沉积过程中，经常形成生长缺陷，增加了摩擦并降低了耐腐蚀性。PVD能够合成从单层到梯度结构的涂层，这些涂层具有定制的成分和微观结构，从而在其厚度上产生受控的性能梯度。PVD技术通过将多层概念与创新纳米涂层相结合来改进涂层设计，从而创建具有涌现特性的系统。在多层PVD系统中，功能单层的组合是通过仔细控制界面密度-晶粒尺寸关系来实现的，从而能够特定调整关键的微观结构性能。PVD包括蒸发、溅射、离子镀和阴极电弧方法，它们在汽化和电离机制上有所不同。
化学气相沉积（CVD）通过在热基体上发生气体前驱体反应形成固体薄膜。在设定的温度和压力条件下，通过化学反应，反应产物沉积在基体上形成固体薄膜。化学气相沉积（CVD）多层复合涂层的摩擦学性能非常优异，尤其是在真空沉积条件下。化学气相沉积（CVD）涂层的加工温度通常高于PVD变体，这导致其具有更好的机械性能。该工艺成本较高，沉积时间较长，并且涂层的摩擦减小效果有限。
电镀是一种成熟且仍在发展的技术，通过仔细控制沉积参数，继续有助于开发先进材料。电镀是一种高效的电沉积技术，具有操作简单、工艺灵活和成本效益高的特点。在沉积过程中，阴极处的金属离子接受电子并被还原沉积在基体上。在金属电镀中，锌和铬因其耐腐蚀性、导热性、疏水性和耐久性而被广泛使用。电镀通过控制电流密度或脉冲频率能够实现多层涂层沉积。通过多层电镀进行顺序沉积，通过创建交替层结构大大改善了性能，这些结构涵盖了许多成分，从不同厚度的单一金属到混合材料，如不同金属、不同合金或颗粒分散的金属基复合材料。
热喷涂涉及加热并加速原材料，形成高速粒子流，当它们撞击工件表面时形成涂层。通过熔化 feedstock 并将其加速朝向表面，形成修饰基体属性的涂层沉积物。热喷涂涂层呈现出由熔融液滴凝固和相邻薄片之间的层间结合产生的层状微观结构，具有随机排列的特征。热喷涂是一种用于颗粒沉积和纳米结构涂层合成的方法。传统上，热喷涂涂层被视为保护性或牺牲性涂层。热喷涂技术广泛应用于多个领域，包括应用贵金属或活性材料涂层以提供腐蚀防护、设计用于提高耐磨性的涂层以及旨在防止高温合金氧化的涂层。热喷涂技术分为三种范式：基于燃烧的、电驱动的等离子体/电弧和低温气体膨胀方法。
4. 涂层结构的影响
4.1. 摩擦磨损性能的改善
材料因磨损而退化包括几种基本机制，如磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、氧化磨损、微动磨损和摩擦化学反应。摩擦源于粘着相互作用以及弹性和塑性变形，而磨损源于竞争性的粘着磨损、塑性变形和断裂。多层涂层具有低摩擦系数和高硬度，这提高了材料的耐磨性和摩擦学性能。这些涂层的不同成分允许添加额外的固体润滑剂，有助于在滑动表面形成持久的润滑膜，改善摩擦性能。多层涂层具有清晰的层状结构和明显的界面，可以阻止裂纹扩展。多层结构具有制造低摩擦、抗磨损涂层的潜力，因为子层界面充当阻挡层以减少层间剪切应力。多层结构由于易于界面滑动和降低的层间键合而降低了摩擦系数。提高层数通过减小摩擦来增强涂层耐磨性，从而抑制磨损。图所示示意图显示了单层和多层涂层相关的摩擦保护机制。
纳米多层结构通过抑制柱状晶生长和促进致密涂层形成来提升性能。其机制涉及系统中重复的界面屏障，这些屏障阻止了柱状晶粒的择优取向并增加了原子扩散。梯度多层结构减少了非晶SiNx相带来的脆性，提高了涂层的机械强度和摩擦学性能。纳米多层结构通过阻止柱状晶生长并形成更致密的涂层微观结构，导致耐磨性和耐腐蚀性的改善。层状结构通过限制位错运动和微裂纹扩展来改善硬度。这种应力减少也提高了结构稳定性和抗分层能力。多层纳米结构阻止了纯MoS2涂层中柱状生长所产生的相对多孔的微观结构，这阻止了晶体的连续性。
4.2. 耐腐蚀性的增强
腐蚀是一种电化学过程，材料的结构和性能通过与环境的反应随时间推移而退化。这会损害材料的完整性，使腐蚀成为制造业中结构损坏的主要原因。多层涂层由于其高硬度，在减少侵蚀损伤方面前景广阔。涂层的耐腐蚀性通过多层结构得到极大改善，其中改进的界面创造了更致密均匀的微观结构、更少的缺陷以及抵抗腐蚀介质侵入的有效屏障。这种增强源于阻塞界面孔隙和阻止腐蚀点在各单独层间扩展。具有不同晶粒尺寸层的多层涂层阻碍了腐蚀性离子的运动，与单层保护涂层相比减缓了锈斑的形成。虽然这些涂层通过界面阻挡显著延迟了腐蚀，但单层涂层由于其相对简单的腐蚀介质扩散路径，对基体的保护较差，限制了其保护能力。图示意性地表示了单层和多层涂层的磨损阻力机制。
多层涂层表现出明显的微观结构异质性。其构型从简单的均质单相结构到复杂的结构不等，这使其能够实现多功能性能。除了表面结构，内部结构也改善了防护性能。研究发现，多层金属涂层比整体式涂层效果更好。结构优化也赋予这些多层涂层更好的阻挡性能。更好的腐蚀保护源于几个结构优势：层压带来的更高密度、更强的界面结合、更好的抗裂纹扩展能力以及在腐蚀环境中与基体更好的变形匹配。发现多层涂层具有更多的横向界面和致密、平坦的结构。这些界面作为良好的屏障，减缓腐蚀。在极端环境中，这些多层结构提供额外的屏障保护。这些双相结构也改善了多层涂层性能。总体而言，这些结果表明，通过界面设计、致密化和相匹配，多层结构可以同时提供良好的耐腐蚀性和优异的机械性能。
多层涂层由于具有更高的电位、更低的电流密度和更好的保护效果而表现出更好的耐腐蚀性。这种改善源于组合的界面效应。曲折的扩散路径阻挡了腐蚀性介质，而减少的缺陷积累改善了屏障性能。对于TiAlN/CrN多层涂层，报告了腐蚀电位向-0.36 V的移动，以及更低的腐蚀电流密度和更高的极化电阻。发现VN/C涂层的腐蚀电流密度比VN涂层低70.47%。这表明多层结构具有更好的摩擦学和耐腐蚀性能。发现CrN/CrCN多层涂层比所有其他测试的涂层具有更好的摩擦腐蚀性能，这通过其最高的电极电位和最低的阴极电流密度显示出来。该涂层还具有低摩擦系数和最小的磨损量，表明其在需要抵抗腐蚀和磨损联合作用的应用中具有潜力。
5. 总结与展望
5.1. 结论
本综述评述了用于摩擦学应用的多界面结构涂层的特性。特别强调了该涂层系统的材料组成、设计范式、沉积方法及性能。综述结果得出以下结论：
(1). 通过在轴承钢表面沉积分层材料层，多界面涂层技术显著提高了抗磨损、抗疲劳和耐腐蚀降解的性能。通过合理的设计和适当的制备方法选择，可以生产出性能优异的多层涂层。
(2). 在设计多层涂层时，首先需要以核心性能要求为导向，同时遵循材料匹配的原则。应通过梯度结构、纳米多层等方法进行分层优化。然后，基于功能定位优化厚度比，并加强界面结合工艺，以实现涂层性能的系统性提升。
(3). 多层涂层通过“材料组合+结构设计”的协同效应，在性能、功能、工艺和成本等维度实现突破。其优势不仅在于单一性能的提升，更在于通过层间界面效应创造出优于传统涂层的优越性。
5.2. 未来机遇
多界面设计的复杂性导致制造成本增加和工艺更复杂。然而，由于其性能优势，它仍然是工业应用中的一个重要研究方向。轴承钢表面多层涂层的技术前景和未来机遇如图所示。
(1). 磨损：关注极端工况下的耐磨需求，探索创新设计。利用多层涂层的优势，满足如航空发动机轴承、风电主轴轴承等高可靠性应用的需求。此外，通过仿生方法开发新型耐磨涂层。
(2). 腐蚀：应对多介质腐蚀的挑战，开发自修复防腐涂层。研究涂层成分、微观结构与腐蚀电化学之间的关系，构建具有梯度防腐层+阻挡层的多层体系。
(3). 无论是实验室研究还是工业应用，多层沉积工艺的未来发展都需要控制关键因素。这些因素包括基体性能（材料和几何形状）、层级别参数（成分、厚度、层数、层间厚度）和微观结构描述符（层微观结构、相组成、总沉积厚度）。控制这些参数对于开发先进功能涂层至关重要。
