铝掺杂TiSiN/TiN多层涂层的晶粒细化机制及其空蚀性能提升研究

为解决工业部件在高速流体环境中因空蚀导致的表面失效问题，研究人员通过Al元素掺杂和TiSiN/TiN多层结构设计，开发出TiSiN/TiAlN涂层。该涂层硬度提升至20.1 GPa，H3 /E2 比达0.082 GPa，空蚀潜伏期延长至20小时以上，质量损失率降至4 μg/h。研究揭示了Al通过置换固溶细化晶粒（5.9 nm）的强化机制，为高性能防护涂层设计提供新思路。

　　

在航空航天、水电工程等工业领域，金属部件长期暴露于高速流体环境中，表面会遭受空蚀的隐形破坏——这种由气泡瞬间溃灭产生的冲击波和微射流，能在微秒级时间内施加数千兆帕的冲击应力，应变速率高达10⁶
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。传统过渡金属氮化物涂层虽具有优异物理化学性能，却难以满足现代极端工况需求。如何通过材料设计突破涂层性能瓶颈，成为亟待解决的科学难题。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地将Al元素掺杂与TiSiN/TiN多层结构相结合，利用阴极电弧离子镀技术（Cathodic Arc Ion Plating）在316L不锈钢基底上制备了TiSiN/TiAlN多层涂层。通过系统的结构表征和超声振动空蚀测试，揭示了Al元素对涂层微观结构和性能的调控机制。

关键技术方法
研究采用纯度99.99 wt.%的Ti、TiSi(80:20 at.%)和AlTi(67:33 at.%)靶材，通过ICS-04 ARC PRO设备沉积涂层。利用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，纳米压痕仪测试力学性能，超声振动装置（20 kHz）评估空蚀性能，并结合SEM和3D表面轮廓仪观察损伤形貌。

研究结果
1. 涂层沉积与微观结构
Al的引入使涂层表面微滴密度增加，但通过置换固溶效应将平均晶粒尺寸从7.3 nm细化至5.9 nm。XRD显示TiAlN(200)晶面衍射峰宽化，证实晶粒细化效果。

2. 力学性能提升
TiSiN/TiAlN涂层硬度达20.1 GPa，较TiSiN/TiN（17.8 GPa）提升13%。H³
/E²
比（抗塑性变形能力指标）从0.050 GPa增至0.082 GPa，表明韧性显著改善。

3. 空蚀性能突破
在持续空蚀测试中，TiSiN/TiAlN涂层潜伏期突破20小时，远超TiSiN/TiN的12小时；最大质量损失率从215 μg/h锐减至4 μg/h，降幅达98%。3D形貌显示Al改性涂层仅产生浅表剥蚀，而对照组出现深度裂纹。

4. 强化机制解析
Al通过抑制晶界迁移实现晶粒细化，同时促进能量耗散：细晶结构既能阻碍裂纹扩展，又通过多界面反射分散空蚀冲击波，使涂层疲劳极限显著提高。

结论与意义
该研究证实Al掺杂可通过晶粒细化和多界面设计协同提升TiSiN基涂层的空蚀抗力。TiSiN/TiAlN涂层将工业部件的潜在使用寿命延长67%，其H³
/E²
比优化策略为极端工况防护材料开发提供新范式。研究成果发表于《Thin Solid Films》，对水电涡轮、化工泵阀等关键设备的延寿设计具有重要指导价值。