磁控溅射CrAl涂层高温退火对其摩擦与腐蚀行为的影响机制研究

为解决TC4钛合金在高温腐蚀磨损环境下性能劣化问题，研究人员采用磁控溅射技术结合高温退火工艺，成功制备出具有Cr2 O3 /Al2 O3 双层结构的复合涂层。该涂层在700?°C时磨损率低至1×10-7 mm3 /N·m，开路电位(OCP)显著提升，为航空航天关键部件表面改性提供了创新解决方案。

　　

钛合金作为航空航天领域的明星材料，其轻量化优势却遭遇高温环境下的性能瓶颈——当温度超过300?°C时，TC4钛合金的磨损速率急剧上升，氧化层稳定性骤降。在海洋环境服役的航空发动机部件，更面临高温腐蚀与机械磨损的双重夹击。传统铝基涂层虽成本低廉，却存在热稳定性差、易剥落等缺陷，而纯Cr涂层又因脆性易产生裂纹。如何突破这一"高温魔咒"，成为亟待解决的材料科学难题。

贵州理工学院的研究团队独辟蹊径，将磁控溅射技术与热处理工艺创新结合，在《Applied Surface Science》发表的研究中给出了答案。他们采用JCP-500磁控溅射设备，以99.99%纯度的Al靶和99.95%纯度的Cr靶为原料，在TC4基体上沉积CrAl涂层后，通过精确控制空气环境中的退火温度（500-800?°C），成功诱导表面生成Cr₂
O₃
/Al₂
O₃
复合氧化层。

Preparation of coating
研究采用双阴极靶磁控溅射系统，在10^-3
Pa真空度下沉积CrAl合金层，随后进行梯度温度退火处理。特别设计的样品架旋转机制确保涂层成分均匀性，为后续性能测试奠定基础。

Composition and structure
EPMA分析揭示：未经处理的涂层存在氧杂质（约2.3 at%），源于溅射腔体残留氧气。经700?°C处理后，表面O含量激增至45 at%，XRD证实生成α-Cr₂
O₃
和γ-Al₂
O₃
晶相。TEM显示该温度下形成的氧化层具有独特的"外Cr内Al"梯度分布，厚度约1.2?μm，这种结构能有效阻隔氧向内扩散。

Friction and wear behavior
高温摩擦测试表明：700?°C退火样品展现出最优耐磨性，其磨损率比室温涂层降低两个数量级。机理分析发现，摩擦过程中Al₂
O₃
层发生相变形成自润滑膜，而Cr₂
O₃
骨架提供机械支撑，二者协同作用使摩擦系数稳定在0.35。

Corrosion resistance
电化学测试显示：经700?°C处理的涂层自腐蚀电位提升约400?mV，腐蚀电流密度降低至3.2×10^-8
A/cm²
。EIS谱证实氧化层阻抗模值增加10倍，归因于Cr₂
O₃
填补了Al₂
O₃
晶界缺陷，形成致密钝化膜。

Conclusion
该研究突破性地证明：通过调控退火温度可精确设计涂层微观结构，700?°C处理的CrAl涂层实现金属-陶瓷梯度过渡，既保留底层金属相的高韧性，又获得表面陶瓷相的强防护性。Zhengqiang Tang团队提出的"先沉积后氧化"策略，相比直接溅射氧化物涂层，使结合强度提升80%，为开发新一代航空发动机叶片防护涂层提供理论依据。特别值得注意的是，这种工艺与现有磁控溅射产线高度兼容，具备规模化应用潜力，对推动我国高端装备关键部件自主可控具有重要战略意义。