CrSi基涂层在空气与去离子水中的磨损机制研究及其在核燃料包壳材料中的应用

《Applied Surface Science》：Detailed investigation of wear mechanisms of CrSi-based coatings in air and deionised water

本文系统研究了CrSi基涂层在空气和去离子水环境中的磨损行为，揭示了Si含量和N掺杂对涂层结构、力学性能及磨损机制的影响。通过双靶共溅射技术制备的涂层在核燃料包壳（ATF）领域展现出优异的耐磨性和高温抗氧化性（Cr2N相形成），为提升锆合金（Zr-4）在极端工况下的可靠性提供了重要理论依据。

　　

Highlight

CrSi基涂层的磨损行为与机制解析：从空气到水环境的科学探索

Microstructure and composition

CrSi基涂层的元素组成如表3所示。除Cr和Si外，氧（O）的显著存在归因于真空室中的残留H₂O/O₂或溅射靶材污染。随着Si靶溅射功率增加，Si含量从0.8%升至14.3%，而Cr含量降低，O含量保持稳定。当向CrSi-14.3中引入N后，涂层中形成硬质Cr₂N陶瓷相，显著改变了其力学行为。

Conclusions

1. 1.

   Si含量对CrSi涂层的微观结构（BCC立方结构）影响微弱，但N的引入会触发Cr₂N相形成。

2. 2.

   Si含量显著调控涂层性能：硬度随Si增加而提升，但韧性下降。含N的CrSiN涂层因Cr₂N相成为韧性最低的样本。

3. 3.

   空气中磨损行为与硬度正相关，主导机制为粘着磨损（adhesive）、氧化磨损（oxidative）和磨粒磨损（abrasive）；去离子水中则呈现磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损的协同作用，受硬度与韧性双重调控。

（注：翻译保留了原文的科技叙事风格，通过"硬质陶瓷相""协同作用"等术语增强专业性，同时用"科学探索""触发"等词提升生动性。）