多层TiNx结构设计增强铁基非晶复合涂层的高温耐磨性研究

为解决铁基非晶涂层脆性导致的耐磨性不足问题，研究人员通过反应等离子喷涂技术制备了多层TiNx增强复合涂层，系统分析了不同温度下的摩擦机制与应力分布。结果表明，五层复合涂层展现出最优的应力分散能力和耐磨性能，为高温苛刻环境下的防护涂层设计提供了新思路。

　　

研究背景与意义
非晶材料因其独特的无序原子排列结构，展现出优异的耐磨性、耐腐蚀性和磁性能，在航空航天、涡轮制造等复杂环境中具有广阔应用前景。然而，铁基非晶涂层（Fe-based amorphous coatings）的固有脆性导致其在摩擦过程中易产生裂纹并快速扩展，严重制约了实际应用。传统解决方案如深冷处理（deep cryogenic treatment）或电离辐照（ionizing irradiation）虽能改善韧性，却可能牺牲强度或引入尺寸限制。分散结构复合涂层虽能提升性能，但在高温氧化或腐蚀环境中易出现增强相聚集、界面兼容性差等问题。

受天然珍珠层（nacre）的启发，多层结构复合涂层成为突破方向。其中，氮化钛（TiN_x）因其高硬度、热稳定性和与铁基非晶相近的热膨胀系数，被选为理想增强相。然而，关于此类涂层的摩擦学性能研究仍属空白。为此，研究人员通过反应等离子喷涂（reactive plasma spraying）技术，设计了两类不同层数的TiN_x增强复合涂层，系统探究其高温摩擦机制。

关键技术方法
研究采用Fe₄₈Cr₂₃Mo₁₀C₁₄B₅非晶粉末与Ti粉末，通过反应等离子喷涂在低碳钢基体上制备纯非晶涂层、三层和五层TiN_x复合涂层。利用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征微观结构，结合赫兹接触理论（Hertzian contact theory）分析应力分布，并在不同温度下进行干摩擦试验评估耐磨性。

研究结果

1. 微观结构表征：XRD证实复合涂层保留非晶特性，TiN_x层通过原位反应生成，界面结合紧密。SEM显示五层结构具有更均匀的层间分布。
2. 摩擦性能：纯非晶涂层因脆性出现严重剥落，而复合涂层的磨损量显著降低，五层涂层在600°C下磨损体积仅为非晶涂层的23%。
3. 应力分析：赫兹模型计算表明，五层涂层的峰值剪切应力（shear stress）比三层涂层低18%，应力分散能力最优。

结论与意义
该研究证实，多层TiN_x结构通过抑制裂纹扩展和优化应力分布，显著提升铁基非晶涂层的高温耐磨性。五层设计因平衡了强度与韧性，展现出最佳性能。这一成果发表于《Surface and Coatings Technology》，为开发耐极端环境的新型防护涂层提供了理论依据与技术路径，尤其在航空航天高温部件防护领域具有重要应用价值。