高温滑动下 AlCrN 涂层的损伤容限可靠性图谱

《Surface and Coatings Technology》：Damage-tolerant reliability mapping of AlCrN coatings under high-temperature sliding

　　

•为预划痕PVD AlCrN开发了损伤容限可靠性映射方法。
•在800°C干燥滑动条件下测试了预划痕PVD AlCrN。
•一套18类事件分类体系将局部损伤转化为保守的安全包络。
•轻微预损伤通过碎片压实和氧化物磨蚀层实现稳定化。
•在800°C下，36组载荷对中有8组构成由两个边界点定义的安全包络。

引言
物理气相沉积（PVD）氮化物涂层被广泛用于减轻高载荷滑动接触中的磨损、粘附和氧化[1]、[2]。在工业实践中，涂层性能不仅取决于固有材料特性，还取决于涂层系统在真实损伤场景下的可靠性[3]、[4]。这些场景包括制造相关缺陷、搬运划痕和碎屑引起的表面损伤[5]、[6]，以及实际部件运行过程中产生的表面损伤[7]。这类缺陷在使用中不可避免，但其对后续摩擦学响应的控制作用尚未得到充分的量化评估。

划痕测试通常被用于评估涂层附着力并识别机械失效模式[8]、[9]。洛氏压痕及相关的基于划痕的方法仍是定性及定量附着力评估的标准工具[10]、[11]，而弹塑性分析已阐明了其背后的失效力学机理[12]。然而，诸如渐进式划痕测试所得临界载荷等面向附着力的指标，并不能直接量化涂层在滑动接触下的损伤后存活能力，尤其是当预存划痕充当应力集中点时。相反，标准化滑动磨损构型（如球盘试验和销盘试验[13]）通常假设初始表面完好无损，因此无法充分反映真实服役条件。这种脱节暴露了传统实验室表征与涂层在实际应用中的可靠性之间的关键差距。

AlCrN基涂层及相关CrAlN/AlTiN体系因其高硬度、热稳定性和抗氧化性而受到持续关注[14]、[15]。其在干燥滑动及与机械加工相关条件下的高温摩擦学响应也得到了记录[16]、[17]。在此类条件下，涂层性能受氧化物磨蚀层的形成与稳定性以及第三体碎屑[18]、[19]的影响，同时也受磨合和氧化磨损过程[20]、[21]的控制。当存在预存划痕时，应力集中、碎屑捕获和氧化物形成的综合作用可能通过填充和平整化来稳定接触，也可能促进涂层损伤，这取决于所施加的载荷和温度[22]、[23]。

除传统三元氮化物体系外，近期文献日益关注多主元氮化物涂层，包括高熵氮化物（HEN），以及作为高温应用候选材料的高熵陶瓷（HEC）[24]、[25]。高熵合金和陶瓷的更广泛概念框架为这一转变提供了热力学背景[26]、[27]，而近期综述也总结了涂层相关氮化物文献[25]、[28]。然而，并非所有多组分氮化物都可严格归类为高熵氮化物[24]、[26]；金属亚晶格强烈非等摩尔组成或含少量改性元素的体系更宜被描述为成分复杂氮化物[25]、[28]。这一区分很重要，因为抗氧化性和摩擦学可靠性不仅取决于构型熵[26]、[27]，还取决于相组成、缺陷化学以及在空气中滑动时维持保护性氧化层的能力[25]、[29]。

在此背景下，本研究中的AlCrN体系被作为开发机制信息驱动的可靠性框架前的一个有意简化的基线，以便在将该方法扩展至成分更复杂的涂层之前建立基础。AlCrN提供了关键的参考功能，包括与工业相关的弧光PVD工艺适用性和立方氮化物稳定性[14]、[17]。其高温响应还通过含Cr和含Al的磨蚀氧化产物的形成来表征[15]、[30]。针对AlCrN/AlCrSiN和CrAlN/CrAlSiN体系的同类高温研究报告了可比的损伤与摩擦学机理[31]、[32]，而多层TiSiN/AlCrN数据则提供了与工艺相关的额外对比[33]、[34]。因此，在受控损伤条件下建立该体系的可靠性极限是筛选更先进涂层概念的必要一步。

本研究针对初步划痕涂层的特定情况，引入了一种基于事件的可靠性评估框架，其中预存划痕与滑动磨损轨迹的交点被视为失效起始的关键位点。该交点处的表面响应在由划痕载荷、滑动载荷和温度构成的矩阵中被系统地分类和映射。分别在室温（RT）、500°C和800°C下构建了可靠性图，从而能够直接识别真实服役条件下受损涂层的可接受操作窗口。

通过将预存表面损伤与后续滑动性能明确关联，所提出的框架超越了传统的附着力或磨损指标，提供了一套面向应用的方法论，用于评估涂层在真实条件下的可靠性。此外，该方法为评估下一代氮化物及高熵涂层[24]、[25]建立了可迁移的基础，在这些涂层中必须同时考虑缺陷容限、抗氧化性和承载能力[35]、[36]。

此前的研究已考察了温度和滑动条件对AlCrN涂层在干燥滑动下摩擦与磨损行为的影响[14]、[15]、[16]、[17]、[37]、[38]、[39]，而基于拉曼光谱的分析为多层体系的退化机理提供了见解[30]。相关梯度PVD涂层的研究进一步探讨了腐蚀环境下的电化学退化[40]。然而，这些研究主要考察初始表面完好的涂层，未涉及预存机械损伤与后续滑动接触的联合作用，而后者对于真实服役条件至关重要。

本研究通过引入基于事件的可靠性框架来填补这一空白，在该框架中，划痕-磨损交点被视为关键失效位点。表面响应在由划痕载荷、滑动载荷和温度构成的矩阵中被系统地分类和映射。分别在室温（RT）、500°C和800°C下构建了可靠性图，从而能够直接识别预损伤涂层的可接受操作窗口。

该框架将预存损伤与服役失效直接联系起来，为面向极端环境的缺陷容限涂层设计提供了一条可扩展的路径。

## 测试材料

试样为高温耐腐蚀奥氏体不锈钢253 MA（EN 1.4835）制造的圆盘（直径60毫米，厚度5毫米）。在涂层沉积前，基体表面使用SiC砂纸研磨抛光至P4000目，以达到算术平均表面粗糙度Ra ≤ 0.02 μm。随后将样品在异丙醇中超声清洗50分钟。

采用横向旋转弧光阴极沉积多层AlCrN涂层。

## 300–800°C下退火态SS 253MA和AlCrN涂层的性能与抗氧化性

CaloMAX坑的SEM图像和EDS线扫描区分出七个空间区域（补充材料S2，图S2.1）：外侧AlCrN涂层区域（C1/C2）、AlCrN过渡区（T1/T2）、贫Al的Cr/CrN基底区域（B1/B2）以及暴露的钢心区（S）。从钢心向外，Al含量在B1/B2区域接近钢区基线，然后通过T1/T2区域向涂层平台升高。Fe含量向涂层外区递减。名义Cr粘附、CrN过渡、AlCrN过渡

## 讨论

温度相关的初始弹性计算表明，在所给出的六个载荷下，20°C、500°C和800°C时的初始最大接触压力分别为0.953–1.946、0.856–1.748和0.777–1.587 GPa。相对于20°C，在固定载荷下，500°C时p0降低10.2%，800°C时降低18.5%，主要原因是有效模量降低。与此同时，所观察到的安全载荷包络随温度升高而收缩。因此，这种收缩无法由名义初始弹性参考压力的增大来解释。

## 结论

温度相关的弹性参考计算表明，20°C、500°C和800°C时的初始最大接触压力分别为0.953–1.946、0.856–1.748和0.777–1.587 GPa。其随温度降低并不妨碍实验观察到的安全载荷包络的缩减。这些光滑接触模型估计值支持载荷对比；它们并不建立划痕或磨损涂层的局部压力阈值。

结合受控初步划痕后的联合方案

## CRediT作者贡献声明

Janis Baronins：撰写 – 初稿、可视化、监督、方法学、调查、形式化分析、概念化。Maksim Antonov：撰写 – 初稿、可视化、软件、项目管理、方法学、调查、获取资金、形式化分析、数据管理、概念化。Uldis Berzins：撰写 – 审阅与编辑、验证、方法学、形式化分析。Aija Rautmane：撰写 – 审阅与编辑。Andrei Shishkin：撰写 – 审阅与编辑。

## 知情同意声明

不适用。

## 机构审查委员会声明

不适用。

## 在撰写过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在本工作的准备和修订过程中，作者使用了AI辅助来提高可读性和语言质量，检查分析一致性和接触压力计算，并标准化图表格式。作者审阅和编辑了最终内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

## 资金

本工作得到了欧洲区域发展基金在"增长和就业"运营计划（编号1.1.1.2/VIAA/3/19/450）"1.1.1特定援助目标——提高拉脱维亚科研机构的研究和创新能力、吸引外部融资的能力，投资人力资源和基础设施"活动1.1.1.2"博士后研究资助"的资助。文章处理费用由拉脱维亚图尔巴大学有限公司资助。

## 利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

## 致谢

作者感谢爱沙尼亚塔林工业大学材料与环境技术系Taavi Raadik（地址：爱沙尼亚塔林Ehitajate tee 5, 19086），提供拉曼光谱仪的使用，用于研究数据的采集和使用。作者还感谢爱沙尼亚研究理事会PRG3028项目的支持。作者还感谢项目编号IVPP-EM-Inovācija-2024/1-0002"生物医学和光子学研究平台"。

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