物理气相沉积TiN、CrN及多层Ti/TiAlN涂层的抗水滴侵蚀性能对比研究及其在涡轮叶片防护中的应用

针对汽轮机末级叶片受水滴侵蚀(WDE)导致的可靠性问题，研究人员采用物理气相沉积(PVD)技术在Ti6Al4V基体上制备了TiN、CrN及多层Ti/TiAlN涂层。研究发现多层Ti/TiAlN涂层通过韧性Ti层吸收冲击能量、界面分散应力等机制，展现出28.1 GPa硬度、369.7 GPa弹性模量及优于单层涂层41.6%的粘附强度，为极端工况下涡轮叶片防护提供了创新解决方案。

　　

在能源领域，汽轮机和燃气轮机末级叶片长期面临水滴侵蚀(WDE)的致命威胁——高速水滴冲击会导致材料表面产生裂纹、凹坑甚至结构性失效。据统计，这类损伤造成的安全事故和经济损失占全球电力行业故障的80%以上。更棘手的是，随着涡轮机参数不断提高，传统防护手段如喷丸强化(SP)、激光熔覆(LC)等已难以满足极端工况需求。西南交通大学摩擦学研究所的研究团队另辟蹊径，通过物理气相沉积(PVD)技术开发出具有"刚柔并济"特性的新型多层涂层，相关成果发表在《Thin Solid Films》上。

研究团队采用磁控溅射PVD技术在Ti6Al4V基体上沉积三种涂层：传统TiN、CrN及创新的Ti/TiAlN多层结构。通过纳米压痕仪测定力学性能，划痕试验评估结合强度，并搭建定制化水滴侵蚀试验台模拟实际工况。特别值得注意的是，研究首次引入声发射传感器实时监测涂层失效过程。

【Coating microstructure】扫描电镜(SEM)显示多层Ti/TiAlN具有独特的"三明治"结构：韧性Ti层(厚度约300nm)与硬质TiAlN层(硬度26.9 GPa)交替排列，界面清晰无缺陷。能谱(EDS)分析证实元素呈梯度分布，这种设计使涂层兼具高硬度和优异韧性。

【Mechanical properties】纳米压痕测试揭示关键发现：虽然TiN硬度最高(28.1 GPa)，但多层涂层的H/E^*值(硬度与弹性模量比值)最优，达到0.073，预示更好的抗冲击性能。划痕试验中，Ti/TiAlN的临界载荷L_c2达42N，比TiN和CrN分别提高19.7%和41.6%。

【WDE failure mechanism】经过10⁶次水滴冲击后，多层涂层展现出革命性优势：1)韧性Ti层通过塑性变形吸收70%冲击能量；2)纳米级界面像"迷宫"般分散裂纹尖端应力；3)硬质层维持表面完整性。最终其侵蚀率仅为TiN涂层的1/3，首次实现硬度与韧性的协同提升。

这项研究突破了"硬度决定抗侵蚀性"的传统认知，提出"界面工程"新理念。特别值得关注的是，Ti/TiAlN多层结构的设计思路可推广至航空发动机压气机叶片、风电叶片等领域。正如通讯作者Zhen-Bing Cai教授指出："该成果为极端环境下的涂层设计提供了范式转变——不是单纯追求单一性能指标，而是通过架构创新实现多机制协同防护。"研究获得国家自然科学基金重点项目(U24B2050)支持，相关技术已进入工程化试验阶段。