Fe基非晶/CrN复合涂层的制备及其耐蚀与抗冲蚀性能研究

为解决Fe基非晶涂层(ACs)表面缺陷导致的耐蚀性与抗冲蚀性能不足问题，研究人员通过高速空气燃料喷涂(HVAF)与物理气相沉积(PVD)技术制备Fe基非晶/CrN复合涂层。结果表明，CrN薄膜可密封孔隙、提升硬度(804.55 HV200g→1104.8 HV200g)，降低表面自由能(29.15→21.13 mN·m?1)与腐蚀电流密度(2.7×10?7→0.4×10?7 A/cm2)，砂浆冲蚀质量损失减少21%。该研究为恶劣环境下涂层性能优化提供新思路。

　　

在航空航天、军事装备等极端环境中，金属材料的腐蚀与磨损是导致部件失效的主要原因。传统Fe基非晶合金虽具有高强度、耐腐蚀等优势，但受限于室温脆性难以块体应用。通过热喷涂技术制备的Fe基非晶涂层(ACs)虽能保留材料特性，但高速空气燃料喷涂(HVAF)过程中不可避免的孔隙和氧化层会形成腐蚀介质扩散通道，加速涂层失效。更棘手的是，沙粒冲蚀会优先攻击这些缺陷区域，进一步降低涂层寿命。如何通过协同工艺弥补这些缺陷，成为提升涂层性能的关键挑战。

针对这一难题，上海交通大学等机构的研究人员创新性地将HVAF与物理气相沉积(PVD)技术结合，在316不锈钢基体上制备Fe基非晶/CrN复合涂层。通过多弧离子镀技术沉积CrN薄膜，系统研究了复合涂层的相组成、力学性能及表面特性，并在不同含沙量(50%)砂浆中测试其冲蚀行为。关键技术包括：HVAF喷涂Fe_49.7Cr₁₈Mn_1.9Mo_7.4W_1.6B_15.2C_3.8Si_2.4非晶涂层，PVD沉积CrN薄膜，通过X射线衍射(XRD)分析相组成，显微硬度计测试力学性能，接触角测量仪评估表面润湿性，电化学工作站测定腐蚀电流密度。

Characteristics of the sprayed coatings
XRD分析显示，Fe基AC中存在α-Fe、Cr₂B和Cr₂₃C₆析出相，而复合涂层在37°、43°和63°出现CrN的特征峰(对应(111)、(200)、(220)晶面)。CrN的引入使Fe基AC的硬度提升37%，表面自由能降低27.5%，证实其密封孔隙与改善表面特性的双重作用。

Discussion
CrN薄膜通过填补HVAF涂层的表面孔隙，阻断腐蚀介质渗透路径，使腐蚀电流密度下降85%。砂浆冲蚀实验表明，复合涂层的质量损失减少21%，归因于CrN的高硬度(1104.8 HV_200g)与Fe基AC的应力缓冲作用共同抑制了"蛋壳效应"。表面自由能降低带来的疏水性提升(接触角增大)进一步减弱了砂浆对涂层的粘附侵蚀。

Conclusion
该研究证实HVAF-PVD复合工艺可协同优化涂层性能：CrN薄膜提供表面密封与硬度提升，Fe基AC作为支撑层缓解应力集中。这种"刚柔并济"的设计使复合涂层在50%含沙量冲蚀环境下质量损失降至0.41 g，腐蚀电流密度达0.4×10^?7 A/cm²，显著优于单一涂层。Ergeng Zhang团队的工作为恶劣环境下防护涂层的开发提供了可工业化推广的解决方案，其创新点在于通过界面工程实现性能梯度过渡，相关成果发表于《Surface and Coatings Technology》。