放电等离子烧结中钛基PVD薄膜阻碳扩散的热力学模拟与实验验证

为解决SPS过程中石墨工具与金属粉末接触导致的碳扩散污染问题，研究人员通过热力学模拟与实验验证相结合，系统研究了钛基PVD薄膜的阻碳效能。研究表明1.2 μm厚钛膜可近乎完全阻断碳扩散，该成果为开发高性能防护涂层提供了理论依据和实践指导，对提升烧结材料性能具有重要意义。

　　

在粉末冶金领域，放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）技术因其快速烧结、抑制晶粒长大和制备高性能材料的优势，已成为航空、航天及军事工业中关键部件制造的重要工艺。然而，SPS过程中石墨工具与金属粉末的直接接触会导致碳元素向金属材料中扩散，形成不必要的碳化物相，从而恶化材料的力学性能。传统解决方案如喷涂氮化硼（BN）涂层存在导电性差、涂层易破损及污染风险，而金属箔插入法又难以适应复杂形状零件的生产需求。这些局限性促使研究人员探索更高效、可靠的防护手段。

近日发表于《Scripta Materialia》的研究通过热力学模拟与实验验证相结合，系统探究了物理气相沉积（PVD）钛薄膜在阻隔碳扩散中的效能及其机制。该研究不仅揭示了薄膜厚度对防护效果的关键影响，还构建了多场景扩散模型，为优化防护涂层设计提供了重要理论支撑。

研究团队采用的主要技术方法包括：利用PVD系统（Kenosistec KS40V）在石墨箔上沉积不同厚度的钛薄膜（0.6 μm、0.9 μm和1.2 μm）；以水雾化高纯铁粉（H?gan?s提供，50-200 μm）为烧结原料；通过SPS在1050°C、70 MPa条件下进行烧结实验；结合光学显微镜、扫描电镜（SEM）、波长色散X射线光谱（WDX）和能量色散X射线光谱（EDX）分析显微结构与元素分布；采用Thermo-Calc? DICTRA模块进行热力学扩散模拟，并基于TCFE12和MOBFE7数据库计算相平衡关系。

研究结果部分通过多组实验与模拟数据揭示了钛薄膜的防护机制：

显微结构观察与碳扩散分析

未涂层石墨箔烧结的样品呈现明显的碳扩散梯度区域：过共析区（渗碳体Fe₃C与珠光体）、共析区（全珠光体）、亚共析区（珠光体+铁素体）及未受影响铁素体基体。WDX碳浓度曲线显示碳含量从界面处的2 wt.%逐渐降至基体的0 wt.%。而使用钛涂层石墨箔时，0.6 μm薄膜仅部分抑制碳扩散，0.9 μm薄膜仅保留亚共析区，1.2 μm薄膜则近乎完全阻隔碳扩散（残余碳浓度约0.1 wt.%）。

钛薄膜中的扩散行为

通过建立三种极限模型模拟扩散过程：

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  模型A（纯碳向钛扩散）：碳在10 min内穿透约1.1 μm钛层，形成TiC相梯度分布；

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  模型B（铁向钛扩散）：EDX实测显示铁渗透深度达0.3 μm，形成FeTi与Fe₂Ti金属间化合物；

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  模型C（碳与铁向TiC扩散）：模拟表明铁可渗入TiC层0.5 μm，形成α-Fe与TiC混合物，钛同时向铁中扩散（约2 wt.%至9 μm深度）。

相平衡与防护场景分析

基于C-Ti-Fe三元系1000°C等温截面，研究提出五种扩散场景：

场景1-4中（TiC分别与α-Fe、Fe₂Ti、FeTi或β-Ti共存），碳被完全固定在钛侧，基体无污染；

场景5中（TiC与γ-Fe共存），因γ-Fe可固溶最多2 wt.%碳，导致碳穿透薄膜。薄膜厚度减薄会使系统从α-Fe稳定区（场景1）向γ-Fe稳定区（场景5）转变，与实际观测的碳污染增加现象一致。

研究结论强调，钛薄膜的防护效能高度依赖于其厚度与形成的相组成。1.2 μm厚钛膜通过快速形成TiC阻挡层并抑制γ-Fe生成，可实现近乎完全的碳阻隔。该工作提出的"热力学模拟-实验验证-场景预测"方法论，不仅解决了C-Ti-Fe非平衡扩散过程的量化难题，还可推广至其他薄膜-基底体系，为开发低成本、规模化防护涂层提供了新思路。此外，该研究对严格控制碳污染的精密制造领域（如生物医用植入体、半导体器件）也具有重要参考价值。