瞬态循环热冲击下低温形成的Fe/Ta伪冶金界面的热力学不稳定性与失效力学

《Surface and Coatings Technology》：Thermodynamic instability and failure mechanics of low-temperature formed Fe/Ta pseudo-metallurgical interfaces under transient cyclic thermal shock

　　

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  HiPIMS实现了Fe/Ta伪冶金结合，原子互扩散深度超过600 nm
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  失效范式转变：从界面主导的层间剥离到基体热力学不稳定性
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  可逆的Fe₃C沉淀-溶解和蛋壳效应驱动了完整的界面失效级联过程

章节摘要

材料与方法

本研究采用了PCrNi3MoVA钢材料。环形样品被加工成两种构型：专用于闭式爆炸试验（CBT）的特制膛线环和用于沉积涂层表征的光滑常规环。膛线环的加工尺寸和实际环形样品的细节详见文献[24]。首先，所有膛线样品通过往复模具抛光机逐步抛光至400#砂纸。然后，所有环

结果

通过直流磁控溅射（DCMS）获得了约25 μm厚的常规Ta涂层，其结构致密（图1a）。然而，HRTEM分析（图1b）表明，DCMS Ta涂层的生长过程是先以Fe基体上的非晶Ta层开始，随后优先形成β相，最后表面生长α相（图2a），清楚地表明了沉积过程中温度驱动的相演化，这与先前的报道一致

讨论

极端环境下的功能界面系统（枪管抗侵蚀、涡轮组件、高超声速飞行器、核反应堆）的性能关键取决于异种材料之间的结合强度。传统磁控溅射（MS）异质结构存在固有局限性：界面结合仅依赖于脆弱的物理机械互锁[28]，而非通过原子互扩散和界面形成的牢固冶金结合

结论

本研究系统全面地剖析了下一代难熔重金属涂层的失效机制。我们成功地证明了HiPIMS辅助的高能离子轰击可以有效克服固有氧扩散动力学势垒，在Fe/Ta双层系统中形成牢固的冶金结合，实现原子尺度的界面互锁，并承受静态机械载荷。然而，本研究也揭示了一个关键且此前被忽视的

CRediT作者贡献声明

牛云松：撰写——初稿，资金获取。廖逸民：方法论，数据整理。崔荣红：软件，方法论。韩仁恒：软件，数据整理。王青川：资源。郭琛：概念化。黄金峰：监督指导。杨昂歌：调查研究。朱圣龙：项目管理。王福辉：监督指导。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢凯铂（长沙）有限公司电子显微镜中心（www.kaiple.com）对微观结构表征提供的支持。作者衷心感谢国家自然科学基金委员会（项目编号：52671065、52531003、52471266）提供的资金支持。

牛云松|廖逸民|崔荣红|韩仁恒|王青川|郭琛|黄金峰|杨昂歌|朱圣龙|王福辉