耐蚀高韧的nc-TiAlN／Ni纳米复合硬质涂层的结构和性能研究

The physical and mechanical properties such as hardness and toughness, and thermal stability and high temperature oxidation resistance of hard nanocomposite coatings are closely related with their composition and microstructure. In order to improve corrosion and erosion resistance of titanium alloy, high temperature corrosion resistant hard nanocomposite coatings TiAlN/Ni with high hardness and toughness were prepared by adding nickel to ceramic TiAlN coating using arc ion plating. Using TEM, HRTEM, FIB, nanoindentation and other techniques, the relation between nickel content, deposition parameters, microstructure and toughness of the coatings were investigated and the possible mechanisms for toughness enhancement due to the addition of nickel were studied. The thermal stability, high temperature oxidation and corrosion resistance of the hard nanocomposite coatings were also investigated to clarify the mechanism of nickel affecting the above properties of the coatings. The results of the project will not only help to find a way of toughening hard nanocomposit coating by addition of nickel, but also provide scientific evidences for their application on the compressor blades and vanes made of titanium alloy against corrosion and erosion.

纳米复合硬质涂层的硬度、韧性、热稳定性和高温抗氧化性能等与涂层的成份和结构密切相关。为了在钛合金表面制备性能优良的耐蚀抗冲蚀涂层，本项目提出向TiAlN氮化物陶瓷涂层中添加Ni，获得兼具高硬度和韧性的高温耐蚀nc-TiAlN／Ni纳米复合硬质涂层。采用TEM、HRTEM等微观结构表征技术，结合FIB制样技术，以及纳米压痕仪等适合薄膜的物理力学性能的测试技术，研究Ni含量、制备工艺、涂层显微结构、以及涂层韧性等之间的内在联系，阐明Ni的增韧机制。研究纳米复合硬质涂层的热稳定性，以及抗高温氧化和腐蚀性能，揭示Ni影响涂层热稳定性以及高温抗氧化和腐蚀性能的机制。项目的研究结果不仅将探索一条纳米复合硬质涂层加Ni韧化的新路，而且可为其应用于发动机压气机钛合金叶片等部件的腐蚀冲蚀防护提供依据。

氮化物硬质涂层具有高硬度、优异的耐磨性和较高的化学惰性，作为耐磨涂层已获得广泛的应用。但是作为一种陶瓷涂层，氮化物涂层具有本征脆性，如何在保持其硬度的同时，能适当提高其韧性和抗裂能力，不仅有助于提高其应用的可靠性和使用寿命，也有助于拓宽其应用范围，是一直以来研究人员关注的共性科学问题。本项目通过向TiAlN涂层中添加Ni来提高涂层的韧性，研究了沉积工艺参数、Ni含量等对涂层显微结构和力学性能（包括硬度、杨氏模量、残余应力和韧性等）的影响，以及TiAl(Ni)N涂层的热稳定性及涂层对钛合金高温抗氧化性能的影响。本项目的研究结果表明，在离子镀设备上，采用单一Ti-Al-Ni合金靶或采用Ti-Ni合金靶和Ti-Al-Ni合金靶（或Ti-Al合金靶）双靶反应沉积，可获得Ni含量不同的TiAlNiN涂层。沉积工艺参数--基体偏压和氮分压等对涂层的显微结构和力学性能有较显著的影响。沉积态TiAlNiN涂层呈现柱状晶结构， Ni固溶在TiN晶格中。随涂层中Ni含量的增加，TiAlNiN涂层硬度和弹性模量降低，残余压应力减小，韧性提高。认为由于Ni不易形成稳定氮化物，以金属态固溶于TiN晶格，而未形成Ni-N键，因此对涂层中的价键状态产生影响，即增加了涂层中的金属键，从而影响了涂层的上述力学性能。TiAlNiN涂层在600oC和700oC空气中氧化时表现出较好的高温抗氧化性能。通过本项目的研究，不仅获得了一种硬质涂层加Ni韧化的方法，提出了其增韧机理，而且为TiAlNiN涂层应用于发动机钛叶片等部件的氧化冲蚀防护提供了依据。