氮气流量对TiN涂层纯机械损伤和协同磨蚀损伤的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of nitrogen flow rate on pure mechanical damage and synergistic abrasive damage of TiN coatings

　　

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  氮气流速率的变化显著调节了TiN涂层的表面质量和微观结构。
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  机械性能，包括硬度和界面结合力，呈现非单调趋势，并在450 sccm时达到峰值。
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  失效机制从根本上从纯机械磨损中以承载为主的材料损失转变为三摩-腐蚀条件下电化学驱动的协同损伤过程。
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  TiN-450涂层凭借其优异的强韧性匹配，使两种磨损机制达到1:1的最佳比例，最终实现了最低的总体磨损率。

引言

随着全球海洋战略的快速发展，深海勘探和资源开发对关键组件的使用寿命提出了极其严格的要求[1]、[2]、[3]。在复杂的海洋环境中，材料不仅要承受高盐度、高氧浓度强电解质的化学腐蚀，还会在机械载荷下不可避免地经历相互摩擦[4]、[5]。腐蚀与磨损之间的协同作用往往会加速材料表面的退化和失效[6]。TC4合金因其低密度、高比强度和优异的防生物污损特性，已成为海洋工程中首选的金属材料[7]、[8]、[9]。然而，海洋环境中的运动部件面临腐蚀和磨损的双重退化。它们的协同效应导致损伤严重加剧，造成工程组件提前失效，这极大地限制了泵阀和螺旋桨轴系统等高摩擦部件的长期服役和应用[10]、[11]、[12]。因此，迫切需要有效的途径来同时提高TC4合金的耐腐蚀性和耐磨性。

TiN涂层凭借其高硬度、优异的耐磨性和出色的化学稳定性，被广泛用于提高机械部件的表面性能[13]、[14]。迄今为止，已采用多种先进的沉积技术制备TiN涂层，主要包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）方法，如磁控溅射和多弧离子镀[15]。虽然化学气相沉积通常需要较高的加工温度（>850 °C），这会降低钛合金基体的机械性能，但物理气相沉积技术提供了一种高效的中等至低温替代方案[16]。其中，多弧离子镀因其极高的电离率、快速沉积速度和优异的涂层-基体结合力，特别适用于海洋工程中的防护应用。TiN涂层的微观结构、化学化学计量比和机械性能与生长过程参数密切相关。在这些参数中，氮气流速率作为多弧离子镀中的关键参数，直接决定了等离子体中的离子碰撞频率和成核动力学，从而显著影响涂层的晶向、致密化和整体性能。近年来，研究人员对TiN涂层在复杂腐蚀和摩擦学环境下的失效机制和防护策略进行了广泛研究。例如，据报道，当腐蚀介质穿过致密TiN涂层的微观缺陷时，会引发基体的局部阳极溶解[17]。因此，具有高压缩残余应力的涂层失去物理支撑并发生机械失效[18]。同时，表面处理（如通过水热氧化制备纳米钝化层）不仅能显著提高涂层的电化学阻抗和耐腐蚀性，还能在摩擦过程中产生润滑作用，从而将严重的犁沟磨损转变为轻微的磨粒磨损[19]。尽管此前的研究已证实优化氮气流速率可以有效调节涂层的相组成和晶粒尺寸[20]，但氮气流速率影响失效模式从纯机械损伤向电化学环境中腐蚀-摩擦协同损伤转变的内在机制仍缺乏系统性的阐明。

基于上述考虑，本研究采用多弧离子镀技术，通过调节氮气流速率在TC4钛合金基体上沉积了一系列TiN涂层。比较分析了涂层在超纯水（纯机械磨损）和3.50 wt% NaCl溶液（三摩-腐蚀耦合磨损）环境中的摩擦学行为差异。此外，结合动电势极化曲线，研究了不同工艺参数下从纯机械损伤到三摩-腐蚀协同失效的转变机制。最终目标是建立微观结构演化与从机械失效到三摩-腐蚀失效转变之间的定量关系，为海洋工况下关键部件的表面增强设计提供深入的实验证据和理论支持。

章节摘要

沉积

使用多弧离子镀技术（V23–6），在不同氮气流速率下将TiN涂层沉积在TC4合金（?25 mm × 4 mm）和单晶硅基体上。TC4基体经抛光机抛光至镜面光洁度，随后依次在石油醚和绝对乙醇中超声清洗，每次20分钟。实验中使用的所有靶材纯度为99.99%。沉积前，将真空室加热至450 °C并抽真空至

结构

图1展示了不同氮气流速率下沉积的TiN涂层的XRD图谱。从图谱中可以清楚地看到，衍射峰对应于（111）、（101）和（200）晶面。其中（111）和（200）取向代表了面心立方TiN相的主要取向。当氮气流速率从350增加到650 sccm时，（111）和（200）衍射峰的半高宽（FWHM）显著减小。在

结论

在本研究中，通过多弧离子镀技术在不同氮气流速率下在TC4合金和硅基体上合成了TiN涂层。全面探讨了流速率对相组成、微观结构和机械性能的影响，并深入分析了不同服役环境下的退化机制。

当氮气流速率从350增加到650 sccm时，所有TiN涂层均保持了面心立方（FCC）结构，且

作者贡献声明

Zhaozhao Zhou（周昭昭）：写作—原稿撰写、验证、调查研究、数据整理。Shuo Li（李硕）：调查研究、数据整理。Yibo Wen（温一博）：形式化分析、数据整理。Xutao Zhao（赵旭涛）：项目管理、调查研究。Zhaoyu Lv（吕照宇）：可视化、方法学。Haiyan Shi（石海燕）：形式化分析。Rongbin Xu（徐荣斌）：可视化。Lei Shan（单磊）：写作—原稿撰写、方法学、调查研究。Mingming Yan（严明明）：写作—审阅与编辑、方法学、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知经济利益竞争或个人关系。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金（批准号LQN26E050061）、国家联合先进轴承摩擦学工程实验室开放基金项目（批准号202503）、绍兴大学校级科研项目（批准号13011001005/176）以及浙江省"头雁"领军计划项目（批准号2024c01038）的支持。

Zhaozhao Zhou（周昭昭）|Shuo Li（李硕）|Yibo Wen（温一博）|Xutao Zhao（赵旭涛）|Zhaoyu Lv（吕照宇）|Haiyan Shi（石海燕）|Rongbin Xu（徐荣斌）|Lei Shan（单磊）|Mingming Yan（严明明）