TiN掺入方法对铁基非晶复合涂层界面结构及力学摩擦性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of TiN incorporation methods on interfacial architecture and mechanical-tribological performance of Fe-based amorphous composite coatings

　　

摘要

基于铁的非晶涂层具有优异的耐腐蚀性，但在严苛的摩擦学条件下往往韧性较差。本研究通过等离子喷涂技术制备了单一相的铁基非晶涂层以及两种TiN增强的铁基非晶复合涂层。这两种复合涂层是通过两种不同的TiN引入方式制备的：直接添加TiN颗粒和原位反应合成TiNx。研究系统地分析了这几种涂层的微观结构、物相组成、力学性能及摩擦学行为。与单一相非晶涂层相比，两种复合涂层的硬度与耐磨性均有提升。此外，通过原位合成TiNx增强的涂层不仅硬度更高，界面结合更强，还能更好地抵抗裂纹的产生与扩展，其摩擦性能也更为稳定，优于直接添加TiN颗粒的涂层。这些改进主要得益于微观结构的致密化、原位形成的TiNx增强相的均匀分布以及界面强化的协同作用。

引言

由于兼具高强度、高硬度、优异的耐腐蚀性以及相对较低的原料成本，基于铁的非晶涂层作为一种用于在严苛机械和腐蚀环境下工作的工程部件的保护涂层，越来越受到关注[1]、[2]、[3]。由于不存在长程晶体有序结构，这类涂层能够有效抑制与晶界相关的降解机制，因而具有更强的耐磨性、抗腐蚀性以及应对两者共同作用的能力[4]、[5]、[6]。正因如此，基于铁的非晶涂层被广泛应用于海洋工程、能源系统以及工业机械等领域，而这些领域中传统的晶体合金往往容易过早失效[7]。

尽管具有这些优势，非晶合金固有的脆性以及有限的塑性变形能力仍是一些亟待解决的难题，尤其是在涉及挤压、弯曲或摩擦的复杂载荷条件下[1]、[8]。在涂层形式下，热喷涂工艺所固有的层状微观结构会进一步加剧这些问题，层间孔隙、弱界面以及微裂纹都会显著降低涂层的结构完整性与耐磨性[4]、[9]。因此，人们一直在努力提升基于铁的非晶涂层的韧性、结合强度以及抗损伤能力，同时又不丧失其原有的硬度和耐腐蚀性。

为了解决这些问题，一种有效的策略是引入陶瓷增强相，如碳化物、氮化物或氧化物，从而形成非晶基体复合涂层[10]、[11]、[12]。在各种陶瓷相中，氮化钛因其高硬度、优异的热稳定性以及良好的化学惰性而尤为值得关注。研究表明，添加TiN颗粒能够提升金属基体涂层的承载能力与耐磨性[13]、[14]、[15]。然而，当以预成型陶瓷相的形式直接引入TiN时，会出现一些固有问题[16]、[17]。由于TiN的熔点较高，且与铁基非晶基体的润湿性较差，因此在高速热喷涂过程中往往会导致TiN无法完全熔化，界面结合不良，还会形成界面孔隙或微裂纹。这些缺陷会成为主要的应力集中点，抵消TiN可能带来的强化效果，进而限制涂层在硬度、韧性及耐磨性方面的同步提升[18]、[19]。

为克服这些缺陷，一种很有前景的替代方案是在喷涂过程中通过原位反应合成增强相。与直接添加颗粒相比，原位形成的陶瓷相通常尺寸更小，分布更均匀，与基体的界面结合也更好[20]、[21]、[22]。此外，原位合成过程中发生的放热反应能够局部促进熔融物的扩散、层间结合以及结构致密化，从而降低热喷涂复合涂层常见的缺陷敏感性[23]、[24]。在基于铁的非晶体系中，通过在喷涂过程中让钛与氮发生反应来原位生成TiN，为在保持基体非晶特性的同时构建致密的多相微观结构提供了一条可行途径。

近期的一些研究表明，与单一相非晶涂层相比，原位合成的TiNx能够有效提升基于铁的非晶涂层的硬度、结合强度以及耐磨性[12]。不过，这些研究主要侧重于反应型TiNx形成的优势，而不同TiN引入方式所带来的根本性影响尚未得到系统阐述。尤其尚不清楚直接添加颗粒与原位反应合成这两种方式，究竟如何影响同一非晶基体内的微观结构演变、界面特性、缺陷形成，以及由此产生的强化与耐磨机制。因此，目前还缺乏一种将TiN引入策略、界面演变与最终的力学及摩擦学性能联系起来的统一理论解释。

本研究通过等离子喷涂技术，采用两种不同的引入方式——直接添加TiN颗粒与喷涂过程中原位反应合成TiN——制备了TiN增强的铁基非晶复合涂层。随后对纯铁基非晶涂层以及这两种复合涂层的微观结构特征、物相组成、力学性能（包括硬度、结合强度及弯曲性能）以及摩擦学性能进行了系统比较分析。研究重点在于阐明由缺陷主导的微观结构向通过原位TiN形成而实现的界面强化结构的转变过程。通过将微观结构特征与力学及磨损响应相互关联，本研究旨在为设计具有更高结构完整性与服务可靠性的强化型非晶复合涂层提供理论依据。

章节节选

涂层制备

本研究以成分约为Fe₄₈Cr₂₃Mo₁₀C₁₄B₅（原子百分比）的铁基非晶合金粉末作为基体材料。该非晶粉末的粒径范围为54至120微米。单一相的铁基非晶涂层是通过直接使用该非晶粉末沉积而成的。而对于直接添加了TiN的复合涂层，则是将粒径为20–100微米的商用TiN陶瓷粉末与

微观结构

图2显示了不同涂层在层间界面特征及孔隙分布方面存在明显差异。为了定量评估涂层的致密程度，研究人员利用图像分析软件，通过对多张扫描电镜截面图像进行分析，得出了各自的孔隙率数值：单一相AM涂层的孔隙率为6.37±1.25%，直接添加TiN的DTiN涂层为9.86±1.92%，而通过原位合成TiNx的RTiN涂层则为5.13±0.86%。这一定量孔隙率分析结果与

讨论

涂层之所以表现出不同的力学与摩擦学性能，其原因在于其微观结构从以缺陷为主导逐渐转变为以界面强化为主的形态，这一变化从单一相的AM涂层开始，经过DTiN涂层，最终发展到RTiN涂层，而这种变化是由颗粒引入方式的不同以及喷涂过程中由此产生的界面演变所决定的。这一转变也意味着涂层的失效机制从由局部应力集中主导转变为由界面作用主导的应力传递机制

结论

本研究系统地比较了通过不同TiN引入方式增强的铁基非晶涂层的微观结构演变、力学性能以及摩擦学行为。主要结论如下：

• (1)
  直接添加TiN会导致涂层形成以缺陷为主的微观结构，孔隙率升高，层间结合较弱；而通过原位合成TiNx则能形成致密且结合良好的多相界面结构。
• (2)
  原位

作者贡献说明

王光宇：撰写原始稿件、开展实验研究、负责数据整理。王岩：确定研究方法、参与实验研究。陈斌：参与实验研究。张胜华：负责结果验证。孙建华：负责研究方法设计。孙书刚：负责结果可视化处理。李娜：负责正式数据分析。刘兴涛：负责项目监督、管理及资金申请。吴林涛：负责稿件审阅与编辑工作，同时承担项目监督职责。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本项研究得到了以下机构的资助：江苏省基础研究计划（项目编号BK20251304）、南通市自然科学基金（项目编号JC2024047；项目编号JC2025034）、江苏省省级基础研究计划（项目编号25KJD570002；项目编号25KJD580005），以及2025年南通市科技计划引导项目（项目编号MSZ2025191）。

王光宇|王岩|陈斌|张胜华|孙建华|孙书刚|李娜|刘兴涛|吴林涛

中国江苏省南通市226002，南通理工学院机械工程学院