《Surface and Coatings Technology》：Thermal spraying combined with vapor deposition to construct Al
2O
3-TiO
2/DLC composite coatings with a dual-gradient transition layer for long-term corrosion-wear synergy in seawater
编辑推荐：
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设计了一种具有成分-结构双重梯度过渡层的AT3/DLC复合涂层。
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梯度层（CrxOy/CrxOy-W-C/W-C）能够缓解热/机械不匹配问题，并提高附着力。
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在海水浸泡70天后，|Z|0.01?Hz?>?107?Ω·cm2，电阻Rct恢复到1
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设计了一种具有成分-结构双重梯度过渡层的AT3/DLC复合涂层。
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梯度层（CrxOy/CrxOy-W-C/W-C）能够缓解热/机械不匹配问题，并提高附着力。
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在海水浸泡70天后，|Z|0.01?Hz?>?107?Ω·cm2，电阻Rct恢复到1.37?×?108?Ω·cm2，显示出优异的阻隔保护性能。
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经过长时间浸泡后，硬度仍保持约20?GPa（仅下降6.4%），磨损率约为10–7?mm3·N-1·m-1。
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摩擦诱发的石墨化形成自润滑转移膜，使在海水中的COF稳定在约0.1。
引言
随着“南海深海开发”战略的实施，国家的海洋战略已经从近海扩展到深海和开阔海域。国内自主研发的高科技设备已相继在南海部署并得到广泛应用。海洋基础设施中运动系统的运行完整性受到盐水环境、湿度和循环载荷共同作用引起的摩擦学失效模式的严重影响。目前海洋工程中使用的材料范式，包括抗氧化钢和轻合金（如钛和铝），在应对暴露的传动系统面临的腐蚀磨损和机械疲劳的协同挑战方面仍显不足，从而无法保证长期的结构完整性[1]、[2]、[3]。因此，实施先进的表面工程技术成为保护这些关键基材免受过早失效的必要策略[4]、[5]。为了提高海洋结构合金的耐用性，需要转向复杂的表面改性技术作为抵御环境退化的首要防线。先进的表面改性技术，包括等离子体电解氧化[6]、[7]、物理气相沉积[8]、[9]、热喷涂[10]、[11]和激光表面合金化[12]、[13]，为动态部件提供了增强耐磨性的多种途径。
热喷涂技术作为一种领先的表面工程技术，其原因在于其卓越的材料适应性、快速的沉积速率、精确的厚度可控性、强的工艺适应性以及显著的经济可行性[14]。热喷涂Al2O3-TiO2（AT）涂层结合了出色的机械性能（高硬度和强度）和对化学腐蚀及磨损的强大抵抗力，成为广泛研究的系统[15]、[16]、[17]。其耐用性和抗腐蚀性能使其成为运动部件和传动部件的理想解决方案。这些涂层能有效抵抗海水腐蚀，防止金属基材的降解。应用于机械驱动系统时，可以降低摩擦和磨损，从而延长使用寿命。然而，传统热喷涂陶瓷涂层在海水条件下的适用性仍存在局限性。热喷涂陶瓷涂层通常存在孔隙和微裂纹等缺陷，这些缺陷会成为腐蚀介质的通道，加速离子传输并促进化学反应[18]、[19]。
为了克服这些限制，类金刚石碳（DLC）薄膜是一类同时具有类金刚石和类石墨结构的碳基薄膜。它们的特性类似于金刚石，包括优异的摩擦和耐磨性以及化学稳定性，非常适合保护运动部件的表面。DLC薄膜在关键部件和精密模具中的应用潜力巨大[20]、[21]。由于普通金属基材与DLC薄膜之间的硬度差异较大，以及DLC薄膜的薄度、高脆性和高内应力，直接沉积DLC薄膜在高载荷下容易导致薄膜脱离或破坏[22]。此外，在高温、高湿度和高盐度的海洋环境中，腐蚀介质容易通过薄膜缺陷渗透到底材，引起腐蚀并最终导致薄膜破裂。
综上所述，结合两种或更多传统的涂层制备技术可以通过协同效应有效克服单层涂层的局限性。相关研究已经展开。蔡等人[23]通过反应磁控溅射在氧化铝陶瓷上制备了非氢化和氢化的TiSi/a-C薄膜，以改善摩擦学性能。根据聂等人的研究[24]，微弧氧化（MDO）与等离子体浸没离子注入（PI3）结合使用，在铝合金表面制备了Al2O3/DLC双层涂层，将纯Al2O3涂层的干滑摩擦系数从0.6降低到0.7–0.22，其中Al2O3中间层提供了所需的载荷支持。通过结合两种制备方法并设计过渡层，取得了一些进展，但在底层和顶层之间的兼容性方面仍有改进空间。尽管基于DLC的复合涂层取得了进展，传统的单过渡层设计仍面临三个关键瓶颈：界面处的突然成分变化会导致严重的残余应力集中；DLC涂层的高内在压缩应力无法通过单一中间层完全缓解；界面缺陷为腐蚀物质提供了快速扩散路径，导致在恶劣海洋环境中的过早失效[25]、[26]、[27]。为了解决这些问题，我们提出了一种连续的双梯度过渡层，由结晶CrxOy、CrxOy-W-C和完全非晶W层组成，这种设计同时调整了成分和结构演变，实现了渐进的机械过渡、有效的应力缓解和增强的界面阻隔性能。
基于上述考虑，本研究采用大气等离子喷涂（APS）和离子沉积技术，在金属基材上制备了一种新型复合涂层，该涂层由Al2O3–3wt.%TiO2（AT3）底层、DLC顶层和双梯度过渡层组成。通过逐步调整从AT3涂层到DLC薄膜的元素成分和微观结构，这种双梯度过渡层有效缓解了各层之间的机械不匹配，并显著提高了界面结合强度。因此，本文重点关注以下两个方面：（1）使用电化学方法系统评估复合涂层在模拟海水溶液中的腐蚀机制和长期性能演变；（2）研究不同海水浸泡条件下涂层相组成、表面形态、机械性能和摩擦学行为的变化。目的是了解AT3/DLC复合涂层在恶劣海洋环境中的降解机制，为其在海洋工程设备中的可靠应用提供理论指导和技术支持。
章节片段
涂层的制备
复合涂层的制备分为两个步骤。首先，使用APS系统（APS-MF-P1000，GTV，德国）在商用AA7075-T651铝合金基材上沉积Al2O3–3wt.%TiO2涂层。基材被加工成直径25.4毫米、厚度6毫米的圆盘。T651处理包括溶液热处理、拉伸应力释放和人工老化。为了简化，Al2O3–3wt.%TiO2涂层...
涂层的表征
图2展示了沉积涂层的横截面形态。图2(a, b)中的微观结构观察显示，AT3/Mul/DLC复合涂层保持了高的结构稳定性。横截面EDS线扫描显示，在过渡层中成分逐渐梯度变化：CrxOy含量从DLC顶层向AT3底层逐渐减少，而W含量相应增加，C含量则从中...
结论
本研究系统研究了AT3/Mul/DLC复合涂层在人工海水中的长期腐蚀行为，基于表面形态、化学结构、机械性能、电化学性能和摩擦学特性。得出的结论如下：
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浸泡70天后，涂层在宏观上保持完整，未观察到腐蚀产物或分层现象。电化学测量显示...
CRediT作者贡献声明
黄凯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿起草，概念化。何春燕：撰写 – 审稿与编辑，数据整理，概念化。林倩：实验研究。周杰：软件处理，数据分析。王瑞：验证，软件支持。王熙：验证。李家琪：验证，实验研究。刘中武：监督，资源统筹，资金获取。邓昌光：监督，项目管理，资金获取。李双健：撰写 – 审稿与...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的财政支持：广东省科技计划（编号：2025B0101030001），新疆维吾尔自治区科学技术计划（编号：2025E02039），广东省科技计划（编号：2024B0101070001），新疆生产建设兵团科技发展专项计划（编号：2023GINMZX-202301020103），广东省青年人才计划（编号：2024GDASQNRC-0302），广东省科技发展计划（编号：2024GDASZH-2024010102），广东省科技计划（编号：...
黄凯|何春燕|林倩|周杰|王瑞|王熙|李家琪|刘中武|邓昌光|李双健
