利用电液雾化技术在镍基高温合金表面沉积的Ni3Al基复合薄膜的结构设计与可控制备

《Applied Surface Science》：Architecture design and controllable preparation of Ni 3Al matrix composite films deposited on Ni-based superalloy using electrohydrodynamic atomization

　　

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  系统分析了Ni₃Al自润滑复合膜的界面兼容性。
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  多尺寸球磨确保了浆料的均匀化以及稳定的锥形射流沉积。
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  提出了一种EHDA制备的Ni₃Al基自润滑复合膜，可实现可控的单层/多层结构设计。

引言

随着航空航天技术的快速发展，涡轮机密封部件的工作环境日益苛刻。关键摩擦部件需要在宽温域内承受高载荷和高速滑动[1]。镍基高温合金因其卓越的耐高温强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，成为制造此类部件的首选材料[2]。为了进一步延长部件寿命并提高可靠性，在镍基高温合金表面沉积具有优异减摩耐磨性能的防护涂层已成为一种有效的表面工程策略[3]。然而，涂层与基体之间热膨胀系数和弹性模量的不匹配，以及高温服役过程中涂层组元与基体元素之间的界面化学反应，可能导致涂层开裂和剥离[4]。因此，对涂层材料体系和制备技术进行系统研究，对于宽温域应用具有重要的科学意义和工程价值。

金属间化合物Ni₃Al在宽温域范围内表现出反常的温度依赖强化行为，使其成为高温防护涂层极具前景的基体材料[5]、[6]。重要的是，Ni₃Al的热物性与镍基高温合金基体具有良好的匹配性，为缓解界面热应力提供了有利基础。关于Ni₃Al基自润滑复合膜的研究已大量开展，通过引入润滑相和增强相，实现了宽温域内摩擦学性能的提升[7]、[8]、[9]。然而，单一成分的Ni₃Al基自润滑复合膜难以满足不同温度区段下多样化的润滑需求，导致摩擦学性能下降。此外，Ni₃Al基单层膜还存在固有局限性，包括残余应力较高和断裂韧性不足，这限制了其作为高温防护涂层的应用[10]。层状结构因其独特的层间耦合效应和应力释放机制而备受关注。通过交替沉积不同成分的亚层，层状涂层已被证明能够有效提高韧性、降低残余应力，并通过多种摩擦学机制实现协同润滑。此外，异质界面可以耗散应变能并阻碍裂纹扩展，同时保持高硬度，从而提升涂层系统的整体机械完整性[11]。

尽管已有多种Ni₃Al基自润滑复合膜的制备路线，但在制备具有复杂成分和可控微观结构的厚多层涂层方面仍面临挑战。磁控溅射是多用于多层涂层制备的最常用技术之一，但受限于沉积效率低和工艺复杂度高[12]、[13]。相比之下，电液滴雾化沉积技术提供了一种通用且经济高效的替代方案，可在环境条件下精确控制液滴生成、膜形貌和厚度分布[14]。此外，电液滴雾化沉积过程中产生的带电液滴增强了颗粒分散性和沉积均匀性，从而有利于形成均匀且具有结构可控性的涂层[15]。电液滴雾化沉积技术已被广泛认为是解决传统技术固有涂层质量可控性差问题的有效策略[16]、[17]，电液滴雾化与Ni₃Al基自润滑复合膜之间存在协同效应。然而，当前研究主要集中于涂层性能评估，而对浆料流变特性、电场诱导沉积行为及膜致密化等工艺-结构关系的本质认识仍不充分。此外，烧结过程中涂层与基体界面之间的化学兼容性和互扩散特性尚未得到系统阐明。

本研究采用电液滴雾化技术设计并制备了Ni₃Al基单层和多层层状复合膜。首先通过热力学和应力分析评估了体系的力学和化学兼容性。随后，系统研究了浆料特性及沉积参数对射流行为和膜形貌的影响。本研究聚焦于建立一种基于电液滴雾化的Ni₃Al基复合膜可控制备策略，系统研究了界面兼容性、沉积行为及烧结致密化机制。本研究为宽温域摩擦学应用中自润滑涂层的发展提供了基础见解。

章节摘要

Ni₃Al基自润滑复合膜成分与结构设计

Ni₃Al基自润滑复合膜以金属间化合物Ni₃Al为基体相，结合增强相和固体润滑相，实现力学和摩擦学性能的协同提升。设计了两种单层膜体系，即Ni₃Al-Cr₃C₂/MoS₂和Ni₃Al-Ti₃SiC₂/MoS₂。在单层膜中，Cr₃C₂的加入用于增强力学性能和高温稳定性，而MoS₂则作为固体润滑剂以降低摩擦。在单层膜中，Ti₃

实验

尺寸为15 mm × 15 mm × 4 mm的GH3044高温合金基体经逐级抛光后，在无水乙醇中超声清洗。浆料体系包括和。将原始粉末按设计成分称量，与分散剂和粘结剂混合后，采用混合尺寸磨球在500 r/min转速下进行球磨。

利用电液滴雾化技术沉积，该装置包括高压电源、注射泵、金属喷针和接地

多路径高能球磨对浆料均匀性和射流稳定性的影响

稳定的浆料是连续电液滴雾化射流沉积和均匀膜结构的前提。在体系中，Ni₃Al、Cr₃C₂/Ti₃SiC₂和MoS₂粉末在粒径、密度和形貌方面存在显著差异。因此，直接混合容易导致颗粒团聚、沉降和成分偏析，从而降低射流稳定性并影响后续烧结致密化。有必要采用多路径高能

结论

本研究采用电液滴雾化技术设计并制备了Ni₃Al基自润滑复合膜，包括Ni₃Al-Cr₃C₂/MoS₂和Ni₃Al-Ti₃SiC₂/MoS₂单层膜以及/多层膜。系统研究了界面兼容性、沉积行为和烧结致密化机制。主要结论如下：

• 1.
  物理和化学兼容性分析表明，ZrO₂中间层

作者贡献声明

Ran Wang：写作—原稿、监督、获取资助。Chongzhao Sun：项目管理、调查研究。Jianxin Deng：写作—审阅与编辑、概念构思。Mingdong Yi：形式分析、概念构思。Chonghai Xu：监督、概念构思。Zhaoqiang Chen：概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本工作由山东省自然科学基金资助（ZR2025QC1176）。

Ran Wang|Chongzhao Sun|Jianxin Deng|Mingdong Yi|Chonghai Xu|Zhaoqiang Chen