DCMS+HiPIMS复合技术制备TiVCrNiSi(N)高熵氮化物涂层的耐高温冲蚀性能研究及其在钛合金发动机叶片防护中的应用

为解决钛合金发动机叶片在高温砂砾冲蚀环境下易失效的问题，研究人员采用DCMS-HiPIMS复合技术制备了TiVCrNiSi(N)高熵氮化物涂层，通过调控氮气流量（RN2）优化涂层结构。结果表明，当RN2=25 sccm时涂层硬度达23.5 GPa，高温（550℃）下抗SiO2冲蚀性能显著提升，为钛合金复杂工况防护提供了新方案。

　　

钛合金因其高强度、轻量化和耐腐蚀性，成为航空发动机核心部件的理想材料。然而，沿海环境中高温砂砾的长期冲蚀，使得钛合金叶片表面易产生沟槽和氧化失效，严重威胁发动机寿命。传统高熵合金涂层硬度不足（<1000 HV），而纯陶瓷涂层又存在脆性大、易开裂的问题。如何平衡硬度与韧性，成为钛合金表面防护的“卡脖子”难题。

北京科技大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地采用直流磁控溅射（DCMS）与高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）复合技术，在Ti6Al4V基体上制备了TiVCrNiSi(N)高熵氮化物涂层。通过精准调控氮气流量（0-25 sccm），实现了从非晶到面心立方（FCC）纳米晶的结构转变，攻克了涂层“高硬度-高韧性”协同优化的技术瓶颈。

关键技术方法
研究团队通过DCMS-HiPIMS复合沉积系统，以TiVCrNiSi等摩尔比靶材（含10 at.% Si）在Ti6Al4V基体上制备涂层。通过X射线衍射（XRD）分析相结构，纳米压痕仪测试力学性能，并采用550℃高温砂砾（SiO₂）冲蚀实验模拟实际工况。

研究结果

1. 沉积速率与成分演变
   氮流量从0增至25 sccm时，沉积速率从37.0 nm/min降至18.7 nm/min。EDS显示氮含量在R_N2=20 sccm时达46 at.%饱和值，形成富氮陶瓷相。

2. 结构转变机制
   XRD揭示无氮涂层呈非晶态，R_N2≥10 sccm时出现FCC相（晶格常数3.6 ?）。HRTEM证实R_N2=20 sccm时形成5-8 nm纳米晶嵌入非晶基体的复合结构。

3. 力学性能突破
   R_N2=25 sccm时涂层性能最优：残余压应力8.2 GPa，硬度23.5 GPa（较基体提升6倍），弹性恢复率68%。

4. 高温冲蚀性能
   550℃冲蚀实验显示，无氮涂层表面出现20 μm深沟槽并嵌入SiO₂颗粒，而R_N2=25 sccm涂层仅产生<5 μm浅痕，归因于纳米晶-非晶复合结构的裂纹偏转效应。

结论与意义
该研究通过氮含量梯度设计，首次实现了TiVCrNiSi(N)涂层中纳米晶与非晶相的精准调控。当氮饱和时（R_N2=20 sccm），FCC相与高塑性Ni元素的协同作用使涂层兼具23.5 GPa硬度和8.2 GPa压应力，高温冲蚀质量损失率降低83%。这种“陶瓷相增硬+金属相增韧”的设计策略，为航空发动机叶片防护涂层的工业化应用提供了理论依据。Yong Lian团队指出，未来可通过Si元素（10 at.%）的固溶强化进一步优化涂层抗氧化性，推动高熵涂层在极端环境下的工程化应用。