电弧离子镀Cr/Zr金属层对CrN涂层微观结构与性能的影响机制研究

本文结合第一性原理计算与实验验证，系统研究了Cr/Zr金属层对电弧离子镀（AIP）制备CrN涂层性能的调控作用。研究表明Cr(111)/CrN(111)界面具有更高界面结合功（0.44 eV/?2），其涂层表现出更优的力学性能（硬度20.9±0.3 GPa）、耐磨性及高温抗氧化性（形成Cr?O?保护层），为高性能耐磨涂层设计提供了计算-实验协同的研究范式。

　　

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Coatings preparation

本研究采用32Cr3MoVE钢（DIN 1.2365）作为基底材料，其名义化学成分（质量分数，wt%）为：C 0.29–0.36、Mn 0.40–0.70、Si 0.10–0.40、P ≤ 0.010、S ≤ 0.005、Cr 2.80–3.20、Ni ≤ 0.30、Mo 0.70–1.20、Cu ≤ 0.10、V 0.15–0.35，余量为Fe。基底试样加工尺寸为20 mm × 10 mm × 2 mm。在氮化处理前，基底表面依次采用400#、800#、1200#和2000#金相砂纸打磨……（后续制备流程描述省略，保留实验方法核心信息）

First-principles material selection

结合能定义为系统组成单元（如原子、分子或核子）通过相互作用释放的能量。反之，亦可理解为将系统中这些组分分解为孤立实体所需的能量。结合能越高，系统稳定性越强。界面分离功（W_sep）是指在界面处分离两种材料所需的外功，其值越大表明界面结合强度越高。通过第一性原理计算，我们发现Cr(111)/CrN(111)界面展现出0.44 eV/?2的最高结合强度，而Zr(002)/CrN(111)界面为0.37 eV/?2，这一结果与Cr(210)晶面的计算值高度一致。

Conclusion

本研究通过第一性原理从大量材料中筛选出具有最大分离功的Cr/CrN和Zr/CrN涂层，并在32Cr3MoVE氮化钢上成功制备。系统研究了涂层的微观结构、力学性能、耐磨性和高温稳定性，主要结论如下：

(1) Cr(111)/CrN(111)界面的分离功为0.44 eV/?2，而Zr(002)/CrN(111)界面的分离功为0.37 eV/?2；

(2) Cr/CrN涂层表现出更优的表面完整性、力学性能和界面结合强度（33.6 N）；

(3) 在中等载荷条件下，Cr/CrN涂层展现出卓越的耐磨性，其磨损机制由粘着磨损向粘着-磨粒-氧化复合机制转变；

(4) 高温氧化测试中，Cr/CrN通过形成保护性Cr?O?层实现热稳定性，而Zr/CrN因生成单斜相ZrO?（m-ZrO?）而降解。