海水环境CrN基涂层的腐蚀磨损机理与超长寿命组成结构设计方法研究

Due to the urgent need for high performance anti-wear coating materials of modern marine industry and the potential advantages of CrN-based coatings in tribological applications in seawater environment, this project puts forwards to the fundamental research on the corrosion-wear behaviors of CrN-based coatings in seawater environment. Based on the mathematical foundation of synergistic effect between corrosion and wear, in combination with the measurement, characteristic and analysis of the physical and chemical evolutions on the degraded surface, the corrosion-wear mechanisms of CrN-based coatings fabricated by arc ion plating technique in seawater environment are exposed overall, the action relationships of the composition and microstructure features on the corrosion-wear properties of CrN-based coatings in seawater are clarified with emphasis, the composition and structure design principles of CrN-based composite coatings for the ultra-long life operations in seawater are establish at last. The outputs of this project would provide scientific foundations and technical supports for the high reliability protecting coatings on surfaces of key tribo-pairs in seawater, as well as the ideas and methods for researches on corrosion-wear behaviors of other protecting coatings fabricated by physical vapor deposition. The applicant and the research group have accumulated rich experiences and obtained some important results in the corresponding field, and the required foundations and conditions of this project are ready.

鉴于现代海洋工业对高性能耐磨防护涂层的迫切需求以及CrN基涂层在海水环境摩擦学应用方面的潜在优势，本项目提出深入开展CrN基涂层海水环境腐蚀磨损行为的基础研究工作。项目将以电弧离子镀技术为制备手段，以腐蚀磨损协同作用模型为数学基础，结合损伤界面物理化学性质演变的测试、表征与解析，全面揭示海水环境中CrN基涂层的腐蚀磨损协同损伤机理，重点阐明CrN基复合涂层组成结构特征与其海水环境腐蚀磨损性能之间的作用关系，最终建立海水环境用超长寿命CrN基复合涂层的组成结构设计原则。项目完成后将为发展高可靠性海水环境关键摩擦副零部件表面防护涂层提供科学基础和技术支撑，同时为其它物理气相沉积防护涂层腐蚀磨损协同损伤行为的研究提供思路和方法。申请人及其团队在相关领域内已积累丰富的研究经验并取得重要阶段性研究结果，已具备完成此项目的基础和条件。

鉴于现代海洋工业对高性能耐磨防护涂层的迫切需求以及CrN基涂层在海水环境摩擦学应用方面的潜在优势，本项目提出深入开展CrN基涂层海水环境腐蚀磨损行为的基础研究工作。项目以电弧离子镀技术为制备手段，以腐蚀磨损协同作用模型为数学基础，结合损伤界面物理化学性质演变的测试、表征与解析，全面揭示了海水环境中CrN基涂层的腐蚀磨损协同损伤机理，重点阐明了CrN基复合涂层组成结构特征与其海水环境腐蚀磨损性能之间的作用关系，最终建立了海水环境用超长寿命CrN基复合涂层的组成结构设计原则。研究发现：机械损伤是海水环境CrN基涂层腐蚀磨损交互损伤的主导因素，提高机械性能是提高CrN基涂层海水环境耐腐蚀磨损性能的有效方法，通过多层以及多元复合结构设计均可通过提高涂层强韧性以提高涂层抗机械磨损能力，从而提升涂层耐腐蚀磨损性能；尽管金属氮化物相结构具有较好耐蚀性能，疏松结构或生长缺陷却极易诱导CrN基涂层在腐蚀磨损交变应力作用下发生点蚀或局部腐蚀，导致涂层海水环境腐蚀磨损过程中局部位置的严重损伤，多层设计或超厚设计能够有效抑制点蚀或局部腐蚀现象，是保障CrN基涂层海水环境良好耐腐蚀磨损性能的重要手段；通过等离子体场和温度场的协同控制，可以促使涂层连续生长过程中发生结构弛豫而出现“反”内应力积聚现象，突破物理气相沉积涂层厚度制备极限实现CrN基涂层百微米级制备，超厚氮化铬基涂层不仅能够在海水环境中对点蚀、局部腐蚀和贯穿性腐蚀具备显著抑制作用，还可在摩擦接触中有效屏蔽接触应力由表面向基体方向的传递，使涂层呈现出高承载特性，涂层摩擦系数和磨损率也将进一步降低。项目研究成果为发展高可靠性海水环境关键摩擦副零部件表面防护涂层提供了科学基础和技术支撑，同时也为其它物理气相沉积防护涂层腐蚀磨损协同损伤行为的研究提供思路和方法。