張一凡，陳淑年，張志強，陳琳，廖斌，歐伊翔，英敏菊，張旭

（1.北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100875；2.北京市科學(xué)技術(shù)研究院 北京市輻射中心，北京 100089）

沖蝕磨損是指小而離散的固體粒子以一定速率和角度沖擊材料表面，從而導(dǎo)致被沖蝕材料表面漸進性磨損的現(xiàn)象[1]。與民用航空器的使用環(huán)境不同，軍用戰(zhàn)斗機或運輸機在高砂塵環(huán)境服役時，高速氣流誘導(dǎo)砂塵吸入發(fā)動機，風(fēng)扇和壓氣機葉片尖端受到的沖蝕磨損使其外形和結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，大大降低了發(fā)動機的服役性能和使用壽命[2-3]。海灣戰(zhàn)爭中，惡劣的砂塵環(huán)境使美軍機發(fā)動機耗油率大幅上升，實際服役壽命不足設(shè)計壽命的1/8[4]。我國沙漠面積占國土總面積的15%[5]，受沙漠影響的面積更是超過50%。在沙漠地帶近地飛行1 h，就可吸入近200 kg 的砂塵，砂塵沖蝕將導(dǎo)致發(fā)動機壽命下降80%～90%。目前，我軍現(xiàn)役各型渦軸發(fā)動機均無砂塵防護措施，僅在中部和東部等砂塵質(zhì)量濃度小于530 mg/cm3的地區(qū)具備起降能力，而在西北戈壁沙漠等砂塵質(zhì)量濃度大于4000 mg/cm3的邊境地區(qū)無法形成作戰(zhàn)能力，這極大地限制了全域作戰(zhàn)的使用要求。

表面改性技術(shù)是提升葉尖抗沖蝕性能的有效途徑之一，而涂層的抗沖蝕性能、耐磨性和結(jié)合強度與涂層的硬度和韌性密切相關(guān)。高硬度涂層可降低砂塵沖擊時塑性變形導(dǎo)致的磨損，高韌性涂層可減少受到惡劣環(huán)境砂塵粒子沖擊時產(chǎn)生的裂紋。尤其是對表面十分敏感的鈦合金葉尖基材，同時具有“高硬高韌”特性的涂層比“超硬但脆”的傳統(tǒng)涂層具有更廣泛的應(yīng)用前景[6]。因此利用離子束技術(shù)制備葉尖高韌性硬質(zhì)防護涂層已成為近些年來研究的熱點之一。

實際上，超硬防護涂層及其沉積技術(shù)的研究已經(jīng)比較深入和成熟，而硬韌協(xié)同的抗沖蝕涂層仍無法較好地應(yīng)用于航機壓氣機葉尖表面。其主要原因有：（1）基于服役條件中的高應(yīng)變率沖擊、瞬間高速高應(yīng)力摩擦對涂層防護硬韌匹配與微結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求較高；（2）壓氣機葉片尖端作為發(fā)動機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，對涂層的均勻性、致密性、粗糙度、結(jié)合強度等綜合指標要求十分苛刻，且整體葉盤葉尖多、端面窄、外形復(fù)雜、遮擋嚴重，針對這些綜合問題，傳統(tǒng)工藝還未實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破。隨著納米化、多元化的發(fā)展，納米多層超晶格和納米復(fù)合等結(jié)構(gòu)的引入，較好地優(yōu)化了涂層硬度和韌性的匹配關(guān)系。磁過濾陰極真空弧技術(shù)（FCVA）作為新型載能離子束涂層制備技術(shù)，可以實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能和工藝三位一體化的協(xié)同發(fā)展。本文重點對壓氣機葉尖抗沖蝕防護涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計、非本征強韌化機制和宏微觀性能三個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問題進行了綜述，深入對比了國際主流的離子束沉積技術(shù)，并展望了該領(lǐng)域的研究重點和發(fā)展前景。

1 壓氣機葉尖工況及損傷機理

航空發(fā)動機中的壓氣機是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片給空氣做功以提升氣壓的部件[7]。其中，轉(zhuǎn)子輪盤上的葉片被稱為動葉，負責(zé)對空氣做功，增加空氣動能；固定在機匣上的葉片被稱為靜葉，負責(zé)將氣流的動能轉(zhuǎn)化為壓力勢能，并將氣流引導(dǎo)到下級動葉前段。與渦輪葉片高溫高壓的工作環(huán)境不同，高速、高角度、高流量的砂塵沖蝕環(huán)境是壓氣機葉片面臨的新挑戰(zhàn)。砂塵顆粒在氣流作用下高速吸入發(fā)動機，砂塵粒子與葉片尖端表面相對運動速度超過音速，沖擊應(yīng)變率超過105s–1。相比準靜態(tài)力學(xué)條件（應(yīng)變率為10–4～1 s–1），鋁合金基體/涂層在動態(tài)力學(xué)條件下（應(yīng)變率為102～104s–1）的動態(tài)響應(yīng)與力學(xué)性能差異較大，且更加復(fù)雜。同時，大量高濃度砂塵對涂層的沖擊方向具有隨機性，涂層因本身存在各向異性，不同的加載方向會導(dǎo)致涂層不同程度形變及斷裂。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，沖蝕砂粒尺寸對涂層的抗沖蝕性能有較大影響。如圖1所示，當(dāng)砂粒尺寸較小時，粒子不能穿透，無法對材料造成破壞；當(dāng)砂粒尺寸大于穿透硬質(zhì)層的臨界值時，就會對材料表面造成嚴重的沖蝕磨損[8]。

圖1 不同粒徑粒子的沖蝕速度軌跡圖和TiAlN 涂層沖蝕云圖[8]Fig.1 Erosion velocity trajectories of different particle sizes and erosion nephograms of TiAlN coatings[8]

另外，沖蝕過程還受到砂粒特征、沖擊角度、沖蝕時間、環(huán)境溫度與濕度和材料組織結(jié)構(gòu)等多方面的影響。到目前為止，還沒有公認的理論和模型能夠全面解釋材料沖蝕的內(nèi)在機理，預(yù)測材料的抗沖蝕性能[9]。關(guān)于以上因素，只能分別評價并綜合權(quán)衡。關(guān)于沖蝕角度的影響，目前已逐步形成了較為成熟的理論（見圖2）：微切削理論著重于低沖擊角砂塵粒子的切削作用是導(dǎo)致涂層材料剝落的主要原因；二次沖蝕理論很好地解釋了脆性粒子的大入射角沖蝕過程中沖擊引起的裂紋萌生及擴展，成為疲勞源，進而導(dǎo)致涂層失效[10]。

圖2 砂粒沖蝕損傷機理[10]Fig.2 Mechanism of sand erosion damage[10]: a) small angle erosion; b) large angle erosion

2 葉尖抗沖蝕涂層

2.1 葉尖抗沖蝕涂層的發(fā)展

抗砂塵沖蝕涂層發(fā)展的初期，由于對沖蝕機理認識的局限性，涂層硬度被認為是提高材料抗沖蝕性能的關(guān)鍵因素。高硬度可以抵抗砂塵沖擊時塑性變形導(dǎo)致的磨損，從而提高涂層的抗沖蝕性能。20 世紀70年代，美俄兩國開發(fā)出了第一代陶瓷抗沖蝕涂層（TiN、CrN 等），并用于多個型號發(fā)動機葉片的砂塵防護[11]。同時，關(guān)于如何提高涂層的硬度，研究人員也進行了大量的研究，而且成績斐然，研究進展和現(xiàn)狀如圖3 所示。試驗也證實了這些涂層擁有優(yōu)異的力學(xué)性能。隨著沖蝕理論的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)，在涂層缺陷和脆性斷裂敏感的極端工況下，涂層的韌性開始變得至關(guān)重要[12]。高韌性意味著在斷裂過程中有較大塑性變形且在斷裂前伴有應(yīng)力的穩(wěn)定下降，即材料具有良好的延展性，而高硬度又意味著高抵抗塑性變形的能力。因此，材料的硬度和韌性是兩個本質(zhì)上相互對立的性能指標，即硬度的提升必然會造成一定量的韌性降低，兩者的匹配問題逐漸成為了抗沖蝕防護領(lǐng)域的研究熱點。針對這一問題，Sam Zhang 等[6]和J. Musil[13]提出了高韌性硬質(zhì)涂層的概念，并分別將其定性描述為“hard yet tough”和“flexible hard”。Ou 等[14]又將此概念定量化，即將H﹥20 GPa、H/E*﹥0.09 和H3/E*2﹥0.25 或KIC﹥2.5 MPa/cm2的涂層歸類為高韌性硬質(zhì)涂層，如圖4 所示。

圖3 硬質(zhì)涂層的現(xiàn)狀[6]Fig.3 Status of hard coatings[6]

圖4 高韌性硬質(zhì)涂層的定量表征[14]Fig.4 Quantitative characterization of hard yet tough coatings[14]

2.2 材料體系

傳統(tǒng)的葉尖抗沖蝕涂層材料通常是過渡族金屬與非金屬構(gòu)成的化合物、金屬間化合物等二元系涂層[15]，現(xiàn)如今通過添加Al、Cr、Co、C、Si 等元素，使其向多元系涂層發(fā)展。如在TiN 涂層的基礎(chǔ)上加入Al 元素，Al 原子置換了面心立方結(jié)構(gòu)TiN 中的一部分Ti原子，引起晶格畸變，從而使涂層硬度升高[16]。另外，高溫下的Al 原子會向涂層表面擴散，形成致密的Al2O3保護膜，大幅提升涂層的抗氧化性能[17-18]。對于多元系涂層來說，當(dāng)晶粒細化至納米尺度時，由于納米尺度效應(yīng)的存在，涂層可以獲得超高硬度（H>40 GPa）。此外，由于裂紋尺寸常常與晶粒尺寸成正比，當(dāng)晶粒或者裂紋尺寸在納米范圍時，應(yīng)力集中系數(shù)會大幅降低，這抑制了裂紋的萌生。通常裂紋是沿著材料結(jié)合較弱的區(qū)域萌生與擴展，特別是沿晶界方向，納米尺度的多元涂層中的多元多相結(jié)構(gòu)增加了晶界的復(fù)雜性，減緩了裂紋的擴展速度。因此，納米尺度的多元系涂層通常具有較高的韌性[19]。然而，受制于傳統(tǒng)涂層制備技術(shù)在葉片防護領(lǐng)域的局限性，在葉尖等異型面基材上沉積復(fù)雜組元涂層的技術(shù)還面臨諸多挑戰(zhàn)。當(dāng)前美國的MDS-PRAD、GE 公司應(yīng)用最多的抗沖蝕涂層主要是ER7 和BlackGold 涂層，其主要成分分別為TiN、TiAlN[1]。

最近十幾年來，高熵合金涂層引起了廣泛的關(guān)注，該材料突破了傳統(tǒng)金屬涂層的設(shè)計思路，為開發(fā)大量新的合金涂層材料提供了可能。由于高熵合金的原子尺寸大小不同，且多組元合金混亂排布在一起，所以原子的排列規(guī)則必定不會按照標準固溶體的模式進行。無序排列的相鄰原子之間的半徑差會導(dǎo)致晶格嚴重畸化變形，造成結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)。這種晶格畸變會阻礙內(nèi)部運動，造成固溶強化效應(yīng)，進而大幅提高涂層的硬度。另外，高熵合金元素較多，不同的元素在合金內(nèi)發(fā)揮各自特性，所以高熵合金的性能可以通過增減不同種類元素和調(diào)整組元比例來實現(xiàn)定制化調(diào)控[20]。目前，關(guān)于高熵合金涂層抗沖蝕性能的研究還處于起步階段，未來有望成為葉尖抗沖蝕涂層發(fā)展的新趨勢。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與強韌化機制

高砂塵工況對葉尖涂層的抗沖蝕性能有了更高的要求，在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中，涂覆有傳統(tǒng)陶瓷涂層（TiN 和CrN）的葉尖仍然受到嚴重的砂塵沖蝕。雖然陶瓷涂層具有較高的硬度，但是脆性大、斷裂韌性低，導(dǎo)致涂層在受到惡劣環(huán)境砂塵粒子沖擊時，極易出現(xiàn)裂紋。針對這兩個對立屬性，利用傳統(tǒng)的本征手段來獲得“魚與熊掌兼得”的涂層非常困難?，F(xiàn)如今，隨著多元、多層、梯度、納米復(fù)合等涂層結(jié)構(gòu)的不斷更新?lián)Q代，使得涂層的性能更加均衡。通過改變涂層復(fù)雜程度等非本征增韌手段，融合多種傳統(tǒng)增韌方法的協(xié)同作用，已成為硬質(zhì)涂層增韌發(fā)展的新趨勢。

2.3.1 多層結(jié)構(gòu)/納米多層結(jié)構(gòu)

多層結(jié)構(gòu)是指在厚度方向上，成分或晶體結(jié)構(gòu)不同的2 種或2 種以上材料交替生長而成的涂層結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。每組重復(fù)單元組成一個調(diào)制周期，用Λ表示，Λ=hA+hB，其中hA和hB分別代表兩個調(diào)制層的厚度。調(diào)制層厚度比被稱為調(diào)制比，用R表示，R=hA/hB。當(dāng)調(diào)制周期處于納米尺度時，該結(jié)構(gòu)被稱為納米多層結(jié)構(gòu)。這類涂層結(jié)構(gòu)中有大量的界面，界面的形成可以抑制柱狀晶生長，消散沖蝕粒子能量，阻止裂紋的萌生和延緩裂紋的擴展。同時，膜層生長過程中，在界面處反復(fù)形核，晶粒細化，大幅度提高膜層的致密性。中間層可以一定程度地釋放殘余應(yīng)力，協(xié)調(diào)形變，提高膜基結(jié)合強度和韌性，有利于膜層中晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)的調(diào)配。研究表明[21-25]，調(diào)制周期、調(diào)制比和界面是影響涂層硬度和韌性的重要因素。

圖5 納米多層涂層結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of nano multilayer coatings

傳統(tǒng)研究表明，納米多層涂層存在硬度突增的現(xiàn)象，其硬度都遠高于單純混合法則的預(yù)測值[26]。然而，該體系尤其是陶瓷基納米多層涂層曾面臨著一個重大問題：硬度的增加會造成韌性的急速下降，無法達到二者的平衡。隨著研究人員對涂層增韌機制的深入研究，開始有研究表明，陶瓷基納米多層涂層可以同時具有高硬度和高韌性。歐伊翔[14]利用深振蕩磁控濺射技術(shù)（Deep Oscillation Magnetron Sputtering, DOMS）制備了CrN/Si3N4納米多層涂層，通過維氏壓痕實驗和測量不同Si 含量表征涂層的斷裂韌性KIC和彈性回復(fù)We。結(jié)果表明，CrN/Si3N4納米多層涂層具有超高韌性。Cheng[27]、Zhou[28]和Manoharan[29]分別利用納米壓痕實驗和微懸臂梁彎曲實驗對Ti/TiN 納米多層涂層的韌性進行了定量描述。結(jié)果表明，Ti/TiN 納米多層涂層的韌性值約為TiN 涂層的2～3 倍，硬度也超過了40 GPa，達到了超硬的水平。Chen 等人[30]利用磁控濺射技術(shù)制備了TiN/ZrN 納米多層涂層，并利用STEM 技術(shù)研究了納米多層膜的微觀結(jié)構(gòu)和分布，如圖6 所示。圖6a 周期性地展示了TiN/ZrN 納米多層膜致密的微觀結(jié)構(gòu)。與圖6b—d 相對應(yīng)，可以觀察到涂層TiN 和ZrN 層的交替沉積。TiN 和ZrN 的單層厚度分別為140、100 nm。

圖6 TiN/ZrN 納米多層膜的微觀結(jié)構(gòu)[30]Fig.6 Microstructure of TiN/ZrN nano multilayers[30]

對于多層涂層來講，有理論認為其硬化的一個重要機理是由于界面晶格畸變所產(chǎn)生的交替變化的協(xié)變應(yīng)力場阻礙了位錯運動，使得涂層的硬度大幅增加。當(dāng)兩種不同晶格常數(shù)的材料組成納米多層膜時，每層之間的晶格失配，使得涂層內(nèi)部產(chǎn)生彈性應(yīng)力和應(yīng)變。晶格常數(shù)大的層受壓應(yīng)力，晶格常數(shù)小的層受拉應(yīng)力，由此產(chǎn)生了交變應(yīng)力場。涂層的硬度和彈性模量也隨調(diào)制周期的減小而增大[31-32]。有研究表明[33]，三維協(xié)變應(yīng)力場中，最大的屈服應(yīng)力為：

式中：A為成分調(diào)制幅度；E為彈性模量；ε為晶格常數(shù)不發(fā)生畸變時的成分變化；a為晶格常數(shù)；c為另一相的局部濃度。

Koehle[34]提出的另一種理論也很好地解釋了多層結(jié)構(gòu)的硬化作用，即兩種剪切模量不同的材料交替外延生長時，為了保持較低的能量狀態(tài)，剪切模量較小的層首先產(chǎn)生位錯。施加外力后，位錯向?qū)娱g界面運動，具有較高剪切模量的層產(chǎn)生排斥力，阻止位錯穿過界面，從而使得涂層產(chǎn)生硬化作用（如圖7 所示）。根據(jù)Schmidt 定理，計算出鏡像排斥力造成的多層膜最大理論硬度為：

圖7 位錯環(huán)滑移機制Fig.7 Operating mechanism of dislocation loops: a) within hard layer; b) within soft layer

式中：HA為具有小剪切模量的材料的硬度；GB、GA分別為兩種材料的剪切模量；m為Taylor 因子。

值得注意的是，單層層厚必須足夠薄，否則位錯會在層內(nèi)產(chǎn)生而不會遇到界面，因此也不會產(chǎn)生顯著的鏡像力效應(yīng)。Chu 和 Barnett 提出了一個基于Kzanowski 的鏡像力效應(yīng)的模型[29]，并成功地預(yù)測了硬度隨單個層厚度的變化趨勢，從而找到抑制位錯穿過層間界面運動的最佳層厚。該理論模型獲得了TiN/NbN 多層膜試驗數(shù)據(jù)的有力支撐[35]。

在增韌方面，由于多層結(jié)構(gòu)界面處的裂紋偏轉(zhuǎn)、界面脫層、延性層間韌帶橋接和納米塑性導(dǎo)致的裂紋尖端鈍化，這些都將在裂紋擴展過程中造成額外的能量消耗和損耗[36]，如圖8 所示。

圖8 多層結(jié)構(gòu)的增韌機理[36]Fig.8 Toughening mechanism of multilayer structure[36]

Qiu 等[37]研究了nc-TiAlN/a-Si3N4納米晶/非晶態(tài)的多層膜，與單層TiAlN 相比，多層膜的最大臨界劃痕載荷增加了165%，這種改善歸因于層界面處的裂紋偏轉(zhuǎn)。Du 等人[38]制備了不同SiC 層厚的TaC/SiC多層膜，并基于壓痕的徑向裂紋，采用鈍形壓頭和立方壓頭的納米壓痕試驗來估計其斷裂韌性（如圖9、10 所示）。當(dāng)采用鈍形壓頭時，在SiC 單層中出現(xiàn)圓形裂紋，而TaC 單層中同時出現(xiàn)徑向裂紋和少量圓形裂紋。隨著多層結(jié)構(gòu)的形成，所有多層膜上都可以觀察到圓形裂紋，但是，只有tSiC=0.4、4.0 nm 的多層膜中出現(xiàn)輕微的徑向裂紋。使用立方角壓頭，當(dāng)tSiC=0.4 nm 時，多層膜壓痕的自由基裂紋比各成分單層膜稍短，在tSiC=0.8 nm時幾乎消失。徑向裂紋在tSiC=1.2 nm處再次出現(xiàn)，并隨著tSiC的進一步增大而拉長。這是基于TaC 和SiC 層間共格界面處的交變應(yīng)力場降低了附近位錯運動的激活能，從而促進局部塑性到韌性的轉(zhuǎn)變[39]。此外，在壓痕過程中，由相干應(yīng)變穩(wěn)定的c-SiC偽晶層可能會轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)結(jié)構(gòu)，從而提高韌性。

圖9 鈍形壓頭壓痕的微觀形貌[38]Fig.9 SEM micrographs of indent imprints through Berkovitch indenter under 1000 nm depth for (a) SiC monolayer, (b) TaC monolayer, and TaC/SiC multilayers with (c) tSiC=0.4 nm, (d) tSiC=0.8 nm, (e) tSiC=1.2 nm, (f) tSiC=2.0 nm and (g) tSiC=4.0 nm[38]

圖10 立方角壓頭壓痕的微觀形貌[38]Fig.10 SEM micrographs of indent imprints through cube-corner indenter under 800 nm depth for (a) SiC monolayer, (b) TaC monolayer, and TaC/SiC multilayers with (c) tSiC=0.4 nm, (d) tSiC=0.8 nm, (e) tSiC=1.2 nm, (f) tSiC=2.0 nm and (g) tSiC=4.0 nm[38]

盡管當(dāng)前對陶瓷基多層涂層的研究取得了一定的進展，但關(guān)于制備抗沖蝕葉尖涂層的研究仍然較少。筆者總結(jié)了多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則，希望今后為此類涂層的研究工作提供借鑒。

多層涂層的設(shè)計準則[34,40]：

1）常溫時，兩調(diào)制層材料的晶格常數(shù)差別盡可能小，使兩種晶體以共格外延方式生長，避免在界面處產(chǎn)生過大的失配應(yīng)力、

2）兩調(diào)制層材料的熱膨脹系數(shù)要基本一致，避免冷熱循環(huán)引起界面破壞。

3）兩調(diào)質(zhì)層材料的剪切模量差應(yīng)盡可能大，使多層膜中單晶材料位錯開動能量存在較大差異，以增加位錯運動時所受的鏡像阻力。

4）兩調(diào)制層材料界面處和自身原子間都應(yīng)形成足夠強的結(jié)合鍵，使層間和層內(nèi)具有足夠的結(jié)合力。

5）低剪切模量層應(yīng)該足夠薄，高模量的層也不能太厚，這樣既限制了涂層內(nèi)部位錯的增殖，也避免產(chǎn)生調(diào)制層間大量位錯堆積導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.3.2 納米復(fù)合結(jié)構(gòu)

納米復(fù)合結(jié)構(gòu)是由2 種或多種納米尺寸的晶粒（或顆粒）組成的結(jié)構(gòu)，或是納米晶包覆在非晶中所構(gòu)成的多相結(jié)構(gòu)。納米復(fù)合涂層類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖11所示，其中藍色部分為基本相，空白部分為界面相，后者包裹前者的結(jié)構(gòu)為納米復(fù)合涂層的一般結(jié)構(gòu)。通過在傳統(tǒng)的TiN、CrAlN、TiAlN 等涂層中添加適量的Si 元素，可以形成過渡金屬氮化物的納米晶相（nc-TiN、nc-CrAlN、nc-TiAlN 等）鑲嵌在非晶相（a-Si3N4）的結(jié)構(gòu)中[41-45]。由于納米復(fù)合涂層中晶體相的固溶強化作用和非晶相層阻礙位錯和裂紋在晶界中的移動與增殖，進一步強化了納米晶晶界，因此獲得了相比傳統(tǒng)的硬質(zhì)涂層更高的硬度[46]。納米復(fù)合涂層通過優(yōu)化涂層和鈦合金基材之間的匹配關(guān)系，顯著提升了基材/涂層體系的協(xié)同變形能力。低載荷作用下，涂層能夠?qū)崿F(xiàn)伴隨基材的一體化協(xié)同彈性變形，避免了界面上的應(yīng)力集中導(dǎo)致的分層。高載荷作用下，通過轉(zhuǎn)變裂紋方向，避免了裂紋沿柱狀晶的萌生與擴展。涂層的超高韌性和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，抑制了位錯增殖源，并使其湮滅在晶界邊緣，從而宏觀上抑制了沖蝕過程中涂層表面裂紋的萌生和發(fā)展，避免涂層在應(yīng)力下的斷裂和開裂，表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗沖蝕性能。

圖11 納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of nanocomposite coating: a) basic phase; b)interface phase

Veprek 等[47-49]對納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層進行了進一步的研究，他制備的TiSiN 納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，其硬度相對于傳統(tǒng)的TiN 涂層提升了4 倍，而相對于Si3N4，硬度提高了5 倍以上。與此同時，納米復(fù)合涂層也表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗高溫氧化性能，Ti、Cr、Zr等過渡金屬氮化物在溫度僅僅高于100 ℃時，就能生成結(jié)晶相，而Si3N4在溫度高達1100 ℃時，還能保持非晶結(jié)構(gòu)，非晶原子層能夠有效抑制高溫條件下氧原子沿晶界缺陷滲入涂層內(nèi)部[50]。Barshilia 等人[51]利用直流非平衡磁控濺射技術(shù)制備了CrN/Si3N4和CrAlN/Si3N4納米復(fù)合涂層。結(jié)果表明，平均Si 含量為7.5%（原子數(shù)分數(shù)）時，CrN/Si3N4和CrAlN/Si3N4涂層的硬度達到最大，分別為29 GPa 和32 GPa。張世宏等人[52]利用多弧離子鍍技術(shù)制備了CrAlSiN 涂層。晶粒尺寸為(7.0±0.2) nm 時，涂層展現(xiàn)出了高硬度（52 GPa）、高塑性變形抗力（H3/E*2=0.295 GPa）、高結(jié)合力（50 N）和低摩擦系數(shù)（0.1～0.2）。羅軍等利用磁過濾陰極真空弧技術(shù)（FCVA）在不同氮氣通量下制備了CrAlSiN 致密的納米復(fù)合涂層，并對其微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)獨馔靠刂圃?00 mL/min 時，晶粒尺寸可以被控制在8.6 nm左右。此時涂層的硬度和塑性變形抗力最佳，分別為40.4 GPa 和0.367 GPa，同時具有高韌高硬的特性。Sun 等人[53]利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)觀測了納米復(fù)合的微觀結(jié)構(gòu)，如圖12 所示。其中納米晶化合物嵌入非晶態(tài)Si3N4基材中，納米晶CrN 和AlN 邊界周圍的非晶態(tài)Si3N4呈現(xiàn)出細粒晶狀結(jié)構(gòu)。此外，SAED 圖案揭示了CrN 和AlN 的多晶相的存在，其中可以觀察到CrN 的(111)、(200) 和(220)反射以及AlN 的 (002)、(200)和(102)反射。非晶態(tài)和納米晶相組成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和摩擦學(xué)性能起到了積極的作用。

圖12 nc-CrAlN/ a-Si3N4 結(jié)構(gòu)的高分辨透射電子顯微鏡圖和選區(qū)電子衍射圖[53]Fig.12 HRTEM and selected area diffraction patterns of nc-CrAlN/ a-Si3N4 structure[53]

對于納米復(fù)合涂層，S. Veprek[54-55]提出的非晶包覆納米晶模型很好地解決了當(dāng)晶粒尺寸小于10 nm時，隨著晶粒尺寸的減小，由于受到晶界滑移和蠕變擴散等多種因素的耦合影響，涂層硬度降低的問題。以CrAlSiN 納米復(fù)合涂層為例，這種結(jié)構(gòu)通常會被寫成nc-CrAlN/α-Si3N4的形式，nc 代表納米晶，α代表非晶。由于CrAlN 和Si3N4在熱力學(xué)上具有強烈的不互溶性，沉積過程中會形成非晶Si3N4界面相，分隔并包裹CrAlN 納米晶結(jié)構(gòu)。Si3N4非晶的存在，阻礙了CrAlN 晶粒長大，使得結(jié)晶組元尺寸很?。? 10 nm），以致晶體結(jié)構(gòu)近乎完美，不存在位錯的產(chǎn)生和增殖。此時材料在外力作用下主要靠晶界滑移來變形，而晶界滑移比位錯滑移需要更多的能量。非晶相要盡可能?。◣讉€原子層厚度），同時具有較高的彈性模量及三維結(jié)構(gòu)，以降低裂紋的產(chǎn)生及運動。此時涂層的硬度、彈性模量和界面能均得到提高。再根據(jù)Griffith公式（見式（4））[56]可以得出，彈性模量和界面能的提高可以進一步提升涂層的硬度。

式中：E為涂層的彈性模量；γs為界面能；a為原始裂紋尺寸（約等于晶粒平均尺寸）。

復(fù)合結(jié)構(gòu)增韌，是通過引入納米晶結(jié)構(gòu)，將微裂紋限制在很小的區(qū)域內(nèi)，控制裂紋的長度，同時大量晶界的產(chǎn)生阻礙了裂紋的穿晶擴展，使得涂層韌性提高。同時，包覆作用造成的非晶/納米晶材料韌性的相互影響，也促進了韌性的提升。Alireza[57]制備了一種由納米晶TiN 晶粒嵌入非晶金屬Ni 相（nc-TiN/α-Ni）的硬度或韌性可調(diào)的硬質(zhì)納米復(fù)合涂層，并研究了其抗開裂性能。結(jié)果表明，在固定載荷下，隨著鎳含量的增加，裂紋密度和總裂紋長度減小，裂紋形態(tài)趨于圓形（如圖13 所示）。這表明隨著鎳含量的增加，涂層材料的抗裂性或韌性有所提高。這是因為韌性金屬非晶態(tài)晶間相互作用對納米復(fù)合涂層的力學(xué)行為有利。TiN 晶粒周圍的金屬基材通過增加塑性變形能力來提供固有的延展性。較厚的鎳覆蓋層提供了更大的塑性變形能力，延展性和韌性因此提高。Ou[14]評估了不同Si 含量的CrN/Si3N4納米復(fù)合多層膜的斷裂韌性，Si 含量的增加，使得晶粒結(jié)構(gòu)從鱗片狀納米柱狀晶向致密纖維狀晶粒再到錐形晶粒轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了顯微組織的演化。最佳的斷裂韌性KIC為3.69 MPa·m1/2，是由于nc-CrN-a-Si3N4界面處的能量耗散和應(yīng)力松弛增強了協(xié)同變形能力，如圖14 所示。

圖13 TiN、TiN-15%Ni 和TiN-22.5%Ni 涂層在不同載荷下的壓痕裂紋形貌[57]Fig.13 Indentation crack morphology of TiN, TiN-15at.%Ni and TiN-22.5at.%Ni coatings under different loads[57]

圖14 Si 含量為15.2%的CrN/Si3N4 多層涂層開裂后的協(xié)同變形[14]Fig.14 Collaborative deformation of CrN/Si3N4 multilayer coating with 15.2% Si content after cracking[14]

如今，關(guān)于納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、抗氧化性能有較多報道，但對其涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計及抗沖蝕機理的研究還不夠深入。另外，在通過加入更多元素來增強涂層的力學(xué)性能的過程中，對非晶包覆納米晶結(jié)構(gòu)的影響的研究不足。筆者結(jié)合Veprek 等人的研究經(jīng)驗，歸納出了納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則[48,40]：

1）各組成相互不相溶是形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的先決條件。

2）需要有足夠的元素使產(chǎn)生非晶相包裹納米晶的結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)中必須有一相足夠硬來承受負載，一相必須具有足夠的韌性來起到納米結(jié)合劑的作用。

3）為了減少裂紋的萌生和擴展，非晶相應(yīng)具有較高的裂紋生成能和擴展能。

4）涂層各相應(yīng)可以在熱力學(xué)作用和化學(xué)活性下分離。

5）控制制備溫度，避免因高溫使各晶相間發(fā)生相互擴散。

2.3.3 單相固溶體結(jié)構(gòu)

單相固溶體結(jié)構(gòu)涂層作為高熵合金涂層研究的重要組成部分，近年來受到廣泛關(guān)注。單相固溶體結(jié)構(gòu)就是指多組元固溶體合金組織只由一個均勻的相組成的合金結(jié)構(gòu)。其一方面具有高熵合金涂層的性能特點，如晶格畸變效應(yīng)與“雞尾酒”效應(yīng)；另一方面也有其獨特的性能優(yōu)勢。一般來說，由于fcc 結(jié)構(gòu)滑移系較多，易于滑移變形，因此具有極高的韌性，但是硬度較低。而bcc 結(jié)構(gòu)則與其相反，硬度較高，但是脆性大，不易于發(fā)生較大程度的變形[58]。因此，單相fcc 結(jié)構(gòu)高熵合金涂層作為高韌性涂層的代表，可以通過添加Mo、Co 等元素，大幅增加涂層的固溶強化作用，促進生成變形孿晶，同時大大提高變形后的位錯密度，共同促進硬度與韌性的匹配，未來有望應(yīng)用于葉尖抗沖蝕涂層領(lǐng)域。

Huang 等[59]研究了Mo 含量對CoCrFeNiMo 系高熵合金涂層組織性能的影響，得出的結(jié)果表明，CoCrFeNiMo0.1、CoCrFeNiMo0.2高熵合金涂層是由fcc相組成，而CoCrFeNiMo0.3高熵合金涂層則由fcc 相和σ 相組成。合金的組織主要為樹枝晶，并存在Mo、Cr 等元素的偏聚，結(jié)合區(qū)附近容易產(chǎn)生裂縫等缺陷。隨著Mo 元素的增多，偏析現(xiàn)象得到緩解，缺陷明顯減少，硬度不斷提升，磨損率下降了50%。Chen 等[60]以Al30Cr70和Ti72Si18為靶材，采用共沉積法制備了AlCrN/TiSiN 納米多層膜。通過GIXRD 證實樣品基本上由單相fcc-AlCrTiSiN 固溶體組成。隨著襯底負偏壓從50 V 增加到110 V，生長行為由(200) fcc 擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變?yōu)?200) fcc 擇優(yōu)取向和(110) fcc 擇優(yōu)取向共存。低界面能支持外延生長，由于相鄰層間晶格失配，導(dǎo)致涂層系統(tǒng)應(yīng)變能增加。增加的應(yīng)變能被界面位錯和位錯環(huán)的形成以及 fcc-AlCrTiSiN 納米孿晶和hcp-AlN 簇合物在孿晶界面的形成所補償。由于固溶體強化和層狀界面阻礙位錯運動的共同作用，所有樣品的硬度均高于32 GPa。隨著襯底偏壓的增加，硬度值也逐漸增大，最大值為36.5 GPa。其主要原因是高的襯底偏壓促進了高密度的顯微組織硬化。另外，高的襯底偏壓促進了(111)擇優(yōu)取向的形成。(111)晶向是fcc 晶面的緊密堆積面，形成(111)擇優(yōu)取向有利于提高韌性。因此，負偏壓為110 V 樣品的H3/E*2值高達0.665。洛氏壓痕試驗如圖15a—c 所示。負偏壓為50 V 時，在壓痕和剝落區(qū)周圍觀察到一些粗裂紋；負偏壓為80 V 時，出現(xiàn)了局部剝落；負偏壓為110 V時，壓痕處界面光滑，基本無涂層剝落。劃痕試驗如圖15d—f 所示。3 組樣品的結(jié)合強度值分別約為44、56、78 N。因此，負偏壓為110 V 時的試樣兼具高硬度與高韌性，并具有極高的結(jié)合強度，有望應(yīng)用于抗沖蝕涂層領(lǐng)域。

圖15 AlCrN/TiSiN 納米多層膜的洛氏壓痕與劃痕試驗的光學(xué)顯微照[60]Fig.15 Optical micrograph of Rockwell indentation and scratch test of AlCrN/TiSiN nano multilayers coatings[60]

3 葉尖抗沖蝕涂層的研究現(xiàn)狀

沖蝕磨損時，氣體中的塵埃和砂粒對航空發(fā)動機葉片系統(tǒng)的沖蝕會激發(fā)出新的疲勞源，增加安全隱患。此外，仿真結(jié)果表明，砂粒沖蝕還會造成葉片線型破壞，使得發(fā)動機輸出功率下降[3]。研究表明，材料表面遭受砂塵小角度沖蝕時，磨損機制以微切削為主，而大角度（接近垂直）沖擊時，沖擊產(chǎn)生的微裂紋或者損傷成為疲勞源，疲勞破壞成為主要失效機制。利用表面改性技術(shù)在航空發(fā)動機壓氣機葉片上制備高硬度和高韌性結(jié)合的防護涂層，可以大幅提升其抗沖蝕性能[2]，這也是一種提高其性能的高效、節(jié)能的方法。當(dāng)前，關(guān)于抗沖蝕涂層的研究主要包括超厚單層涂層及軟硬結(jié)合的納米多層涂層，而關(guān)于納米復(fù)合涂層和納米多層復(fù)合涂層的抗沖蝕研究較少。曹鑫等人[61]采用過濾陰極真空電?。‵CVA） 技術(shù)，在Ti6Al4V 合金基材上沉積了TiAlN 恒定偏壓涂層和偏壓梯度涂層，并評估了30°和90°的抗沖蝕性能。結(jié)果表明，偏壓梯度涂層（腐蝕角為30°和90°時的腐蝕速率分別為0.014、0.013 mg/g）的腐蝕速率明顯低于恒偏壓涂層。偏壓梯度TiAlN 涂層具有優(yōu)異的抗沖蝕性能，這是由于該涂層具有較高的硬度（32.08 GPa）和較低的內(nèi)應(yīng)力（–2.66 GPa）。Borawski等[62]采用磁控濺射方法制備了 TiN/Ti、TiN/Zr、TiN/Hf、TiN/Nb 多層結(jié)構(gòu)涂層，結(jié)果表明，由于Nb較高的楊氏模量和泊松比，可以有效支撐TiN 層，從而提高了涂層的韌性，因此具有良好的抗沖蝕能力。Bonu[63]采用磁控濺射技術(shù)研制了具有應(yīng)力吸收層的超薄多層抗沖蝕 Ti/TiN 涂層（總厚度為9～10 μm）。通過引入金屬層來吸收內(nèi)應(yīng)力，并保持涂層的韌性和脆性平衡。超?。?～4 nm）金屬/陶瓷雙層結(jié)構(gòu)提供了大量的界面和超小的晶粒尺寸。根據(jù)ASTM-G76-13，在90°、60°、45°、30°等4 種不同的沖擊角下，并分別以30、60、100 m/s 等3 種不同的砂粒速度進行試驗。當(dāng)砂粒速度為30、60、100 m/s時，Ti6Al4V 基體與涂層的平均侵蝕速率比分別為74、13、12。對侵蝕痕跡進行了形態(tài)、元素和光譜分析，如圖16 所示。

圖16 TiN/Ti 不同沖擊角下侵蝕痕跡的三維輪廓圖像[63]Fig.16 Profilometer images of the erosion scars under different impact angles of TiN/ Ti[63]

Chen 等[30]在Ti6Al4V 基底上制備了調(diào)制周期小于200 nm 的TiN/ZrN 納米多層涂層，并從不同的沖蝕角度研究了涂層的抗沖蝕性能。通過白光干涉輪廓儀表征沖蝕表面的3D 形貌。通過使用聚焦離子束（FIB）方法研究了樣品截面的破壞情況，如圖17 所示。結(jié)果表明，沖蝕角為90°時，沖蝕速率最大，分別是15°、45°、75°的3.1、2.8、1.2 倍。沖蝕坑的直徑、深度和密度隨沖蝕角的增加而增加。沖蝕角為15°和45°時，TiN/ZrN 納米多層涂層的損傷主要受側(cè)向裂紋和涂層本身拉應(yīng)力的影響。沖蝕角為75°和90°時，涂層主要受縱向裂紋的控制。截面形貌處的平均裂紋密度表明，在高角度（75°和90°）下，沖蝕更容易出現(xiàn)裂紋，這進一步解釋了在高沖蝕角下沖蝕速率較高的原因。

圖17 TiN/ZrN 納米多層膜在不同沖蝕角下的截面形貌[30]Fig.17 Cross section morphology of TiN/ZrN nano multilayers at different erosion angles[30]

Wang 等[64]利用電弧離子鍍制備了Cr/CrAlN 和Cr/CrN/Cr/CrAlN 梯度多層膜，并與TC11 鋁合金進行了抗沖蝕性能的對比測試。結(jié)果表明，多層涂層的抗固體顆粒的沖蝕性能明顯高于TC11 鋁合金試樣。在沖蝕角為90°和30°條件下，Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的沖蝕速率較低，分別為(0.752±0.028) mg/g 和(0.256±0.025) mg/g。此外，Wang 等通過數(shù)值模擬研究了涂層在單顆粒（Al2O3）沖擊下的動態(tài)響應(yīng)和應(yīng)力場，確定了高拉應(yīng)力是涂層開裂的主要原因。通過對應(yīng)力試驗結(jié)果的分析，得出涂層的斷裂破壞機理是脆性和韌性的共同作用機制。目前，研究人員發(fā)現(xiàn)某些生物體表（如沙魚[65]、紅柳[66]、沙漠蝎子[67]、新疆巖蜥[68]等）的特殊結(jié)構(gòu)在極度惡劣環(huán)境里具有優(yōu)異的抗沖蝕磨損性能。因此，將仿生學(xué)的原理應(yīng)用到?jīng)_蝕磨損研究中，設(shè)計新型仿生結(jié)構(gòu)，為提升涂層抗沖蝕性能提供了理論基礎(chǔ)和新的思路。

4 葉尖抗沖蝕涂層的制備技術(shù)

現(xiàn)如今，離子束技術(shù)已經(jīng)成功地實現(xiàn)了高韌涂層的制備（見表1），并作為耐磨涂層成功應(yīng)用于刀具、軸承等表面，有效地提高了產(chǎn)品的使用壽命。然而，針對工況環(huán)境更為惡劣的壓氣機風(fēng)扇葉片，傳統(tǒng)的沉積技術(shù)由于存在膜基結(jié)合力較差、缺陷多等問題，大大降低了涂層的疲勞強度，且對鋁合金基材疲勞性能的影響較大，不適合葉片防護涂層的制備。下面將就四種主流離子束技術(shù)的特點進行對比。

表1 利用不同沉積技術(shù)制備的高韌涂層及其結(jié)構(gòu)、性能Tab.1 Structures and properties of high toughness coatings deposited by various techniques

4.1 磁控濺射技術(shù)

磁控濺射技術(shù)（MS）是利用Ar 或其他工作氣體電離產(chǎn)生的離子轟擊靶材表面，進而濺射到基材樣品表面形成涂層的方法。與傳統(tǒng)的濺射方法相比，磁控濺射方法使用磁場來增加電子和工作氣體的碰撞頻率，提高等離子體密度，其優(yōu)點在于涂層質(zhì)量較好，組織致密，工藝簡單，有利于工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制。C. Harish 等[83]采用直流磁控濺射系統(tǒng)在不同調(diào)制波長下沉積了TiAlN/CrAlN 納米多層涂層，總厚度約為1 μm。利用修正的Bragg 定律，計算出多層結(jié)構(gòu)的調(diào)制周期。當(dāng)調(diào)制周期Λ﹤20 nm 時，涂層沿(111)晶面生長；當(dāng)調(diào)制周期Λ=10.2 nm 時，涂層形成了超晶格結(jié)構(gòu)。X 射線反射率數(shù)據(jù)表明，調(diào)制周期Λ為10.2、13.8 nm 的涂層，發(fā)生第五級和第七級反射，表明TiAlN 和 CrAlN 的層間形成了尖銳的界面。TiAlN/CrAlN 納米多層涂層的截面形貌為非柱狀致密的微觀結(jié)構(gòu)。在調(diào)制周期Λ=9.3 nm 時，TiAlN/CrAlN 多層涂層的最大硬度為39 GPa。Elbert等[72]利用直流磁控濺射技術(shù)，通過控制基材的旋轉(zhuǎn)速度，來制備不同周期的納米級TiAlN/TaN 多層涂層，并評估其對力學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響。利用FE-SEM觀察了較大雙層周期的涂層結(jié)構(gòu)，利用TEM 觀察了周期小于25 nm 的涂層的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，H、E*和We隨著雙層周期的減少而逐漸增加。柱間剪切機制是納米壓痕測試中的主要變形機理。Λ=10 nm 的多層涂層的臨界載荷是TiAlN 和TaN 單層涂層的2 倍。Wei 等[84]采用等離子體增強磁控濺射（PEMS）技術(shù)制備了厚氮化物（ZrN、CrN 和TiN）和碳氮化物（ZrSiCN 和TiSiCN）。該技術(shù)借助高電流密度獲得獨立產(chǎn)生的等離子體，通過在沉積前和沉積過程中使用重離子轟擊，提高涂層附著力，并限制柱狀晶生長，最終獲得了厚度達80 μm 的ZrN、CrN 和TiN 和約30 μm 的ZrSiCN 和TiSiCN。砂粒沖蝕試驗結(jié)果表明，TiSiCN 具有最好的抗沖蝕性能，比未涂覆的不銹鋼或Ti-6Al-4V 基材高出近25 倍，比所有其他氮化物高出約5～10 倍。

4.2 高功率脈沖磁控濺射技術(shù)

針對磁控濺射離化率低、膜基結(jié)合力較差等缺點，V. Kouzetsov 等人[85]首次采用高脈沖電源作為磁控濺射的供電方式，從而發(fā)展了高功率脈沖磁控濺射（HiPiMS/HPPMS）技術(shù)。高功率脈沖磁控濺射依賴于非常高的靶功率密度來實現(xiàn)更高的等離子體密度和濺射材料的電離。大量研究表明，高功率脈沖磁控濺射技術(shù)可以使沉積的涂層致密化[86]，提高附著力[87-89]，可以在復(fù)雜形狀和高寬高比襯底上均勻沉積，促進相偏移[14,74,90]，并允許無滯后反應(yīng)濺射[91]。Ma 等[75]采用HiPIMS 技術(shù)在硬質(zhì)合金上沉積了TiAlSiN 納米復(fù)合涂層，并研究了襯底偏壓對涂層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。當(dāng)偏壓升高時，涂層的擇優(yōu)取向由(220)向(200)偏移；表面粗糙度由14.1 nm 下降到7.4 nm；晶粒尺寸從10.5 nm 減小到7.4 nm。同時，隨著偏壓的增加，涂層的晶粒形態(tài)由柱狀晶向等軸晶型轉(zhuǎn)變，硬度由30 GPa 增加到42 GPa，壓痕附著力由HF2 下降到HF5。D. Ma 等[92]利用HiPiMS 技術(shù)制備了一種新型的CrAlYN/CrN 納米多層膜，并研究了其抗沖蝕性能。結(jié)果表明，CrAlYN/CrN 涂層具有優(yōu)異的附著力和優(yōu)異的抗沖蝕性能（沖蝕速率是裸露的Ti6Al4V 基材的1/14）。橫截形貌研究顯示，當(dāng)沖蝕產(chǎn)生的應(yīng)力超過Ti6Al4V 合金的疲勞強度時，基材會形成裂紋。此時，納米多層膜的界面通過形成一個有效的屏障來保護基材，延遲疲勞裂紋的形成。

4.3 多弧離子鍍技術(shù)

多弧離子鍍（Multi-arc ion plating）是利用電弧蒸發(fā)作為離子源，在惰性氣體中利用弧光放電產(chǎn)生高離化、高能量的等離子體，進而實現(xiàn)元素沉積。目前，多弧離子鍍是壓氣機葉片表面防護領(lǐng)域應(yīng)用最多的離子束技術(shù)，其優(yōu)點在于離化率高、膜基結(jié)合力高、沉積速率快、繞射性好，有利于外形復(fù)雜、遮擋嚴重部件涂層的制備。近年來，研究人員通過優(yōu)化工藝已經(jīng)制備出了許多兼具高硬度和高韌性的涂層，具有優(yōu)異的結(jié)合強度和抗沖蝕性能。Lan 等[93]采用多弧離子鍍技術(shù)在TC11 鈦合金表面制備了厚度為18.7 μm 的Ti/TiN/Zr/ZrN 多層膜，并進行了不同角度的沖蝕實驗。結(jié)果表明：在30°攻角下，沖蝕砂量為70 g 時，涂層失效，此時該多層膜的沖蝕坑深度為21.88 μm，TC11 鈦合金基材為269.9 μm。鈦合金的沖蝕以微切削為主，多層膜以微切削和微斷裂為主。在90°攻角下，沖蝕砂量為20 g 時，涂層破裂，此時該多層膜的沖蝕坑深度為8.95 μm，TC11 鈦合金基材為46.96 μm，鈦合金的沖蝕以點坑沖蝕為主，多層膜以裂紋萌生擴展和點坑沖蝕的混合沖蝕為主。

4.4 磁過濾陰極真空弧技術(shù)

Aksenov 等[94]在真空陰極電弧沉積技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了磁過濾陰極真空弧沉積技術(shù) （FCVA），工作原理圖見圖18。FCVA 技術(shù)利用異面雙彎過濾器以及高能電、磁場耦合作用去除多余宏觀粒子和中性粒子。同時，彎管內(nèi)壁的連續(xù)凹槽很好地避免粒子因碰撞反射進入真空室，進一步提高過濾效果。電磁場對等離子體的限制和引導(dǎo)，使其離化率較高，從而獲得均勻致密的涂層。涂層表面液滴和大顆粒較少，其表面形貌較好。利用其具備的寬束等離子體掃描技術(shù)還可以使沉積面積提升到直徑30.48 cm 以上。離子束的轟擊作用使得基材原子發(fā)生濺射效應(yīng)并被電離，與鍍料離子混合，重新沉積形成“松散層”。此外，強離子束轟擊作用還在“松散層”中引入了大量的缺陷。當(dāng)永久性缺陷的濃度超過移動缺陷的平衡濃度時，晶粒生長就會失敗。因此，“松散層”呈現(xiàn)非晶態(tài)。在隨后的沉積過程中，入射粒子與涂層碰撞將動能轉(zhuǎn)化為熱能，使得涂層產(chǎn)生較高的熱積累。高溫促使鍍料原子和基材原子在松散層內(nèi)的遷移，促進局部外延生長，促進了非晶態(tài)向固溶態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而明顯改善界面處的結(jié)合強度[95-99]。此外，F(xiàn)CVA 技術(shù)的離子能量精準可控的特點也有利于融合應(yīng)用多種致硬增韌機制，實現(xiàn)“定制化”調(diào)控涂層微結(jié)構(gòu)和性能，從而獲得高性能抗沖蝕涂層。

圖18 磁過濾陰極真空弧設(shè)備原理Fig.18 Schematic diagram of filter cathode vacuum arc equipment

Gong 等[100]采用FCVA 技術(shù)制備了周期固定、調(diào)制比不同的TiN/Ti 多層涂層，總厚度控制在2 μm 左右。截面形貌表面，納米多層結(jié)構(gòu)清晰，界面處膜基結(jié)合良好。在調(diào)制比2︰3 時，納米硬度和彈性模量最大；調(diào)制比為1︰4 和4︰1 時，磨損量達到最小。Xu 等[80]通過FCVA 技術(shù)研究了不同調(diào)制周期（80、106、160 nm）對DLC/TiC 納米多層涂層的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著調(diào)制周期的減小，涂層的殘余應(yīng)力逐漸減小，硬度逐漸增大。調(diào)制周期為106 nm 的DLC/TiC 多層膜，因其具有較好的硬度、韌性和較低的壓應(yīng)力而具有最佳的耐磨性。Huang 等[101]采用MEVVA 離子源在TC4 基材上分別注入四種離子（Mo、Ti、Nb、Co），再用磁過濾真空陰極?。‵CVA）技術(shù)制備Gong 等[100]采用FCVA 技術(shù)制備了周期固定、調(diào)制比不同的TiN/Ti 多層涂層，總厚度控制在2 μm左右。截面形貌表面，納米多層結(jié)構(gòu)清晰，界面處膜基結(jié)合良好。在調(diào)制比2︰3 時，納米硬度和彈性模量最大；調(diào)制比為1︰4 和4︰1 時，磨損量達到最小。Xu 等[80]通過FCVA 技術(shù)研究了不同調(diào)制周期（80、106、160 nm）對DLC/TiC 納米多層涂層的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著調(diào)制周期的減小，涂層的殘余應(yīng)力逐漸減小，硬度逐漸增大。調(diào)制周期為106 nm 的DLC/TiC 多層膜，因其具有較好的硬度、韌性和較低的壓應(yīng)力而具有最佳的耐磨性。Huang 等[101]采用MEVVA 離子源在TC4 基材上分別注入四種離子（Mo、Ti、Nb、Co），再用磁過濾真空陰極弧（FCVA）技術(shù)制備TiN/Ti 涂層。結(jié)果表明，經(jīng)過Mo、Ti、Nb離子注入的TiN/Ti 涂層，結(jié)合力和抗沖蝕性能都有提高。其中Mo 離子注入的TiN/Ti 涂層的結(jié)合力達71 N、耐沖蝕時間為80 min。與未離子注入涂層相比，分別增加了31.5%和77.8%，而平均沖蝕率降低了39.5%。Co 離子注入的 TiN/Ti 涂層的結(jié)合力僅為40 N，平均沖蝕率增大了19.0%，其抗砂塵沖蝕性能明顯下降。

通過對比發(fā)現(xiàn)，磁控濺射技術(shù)存在金屬離化率低、沉積速率慢、膜基結(jié)合力低等問題。多弧離子鍍技術(shù)在電弧放電蒸發(fā)過程中伴隨著金屬熔滴的發(fā)射和大顆粒組織缺陷的形成，尤其是對表面十分敏感的葉片鈦合金基材，一旦出現(xiàn)缺陷就會降低疲勞性能，增加了大角度沖蝕過程中裂紋萌生的傾向。因此，這兩種技術(shù)不適合制備長期服役在極端環(huán)境下的葉尖防護涂層。HiPIMS 技術(shù)雖然可以“定制化”調(diào)控涂層結(jié)構(gòu)，提高抗沖蝕性能，但較低的沉積效率限制了其工業(yè)化應(yīng)用。針對其沉積速率損失的問題，未來有望通過HiPIMS+PDCMS 復(fù)合技術(shù)的引入來完善。對比現(xiàn)有技術(shù)，F(xiàn)CVA 可以實現(xiàn)抗沖蝕葉尖防護涂層工業(yè)化生產(chǎn)。

5 結(jié)論與展望

1）隨著我國空軍現(xiàn)代化建設(shè)“三步走”戰(zhàn)略的逐步實施，要求壓氣機在高砂塵濃度、高氣體流量、高載荷等極端條件下服役，提高先進渦軸發(fā)動機壓氣機葉片尖端抗砂沖蝕磨損的能力就成了我空軍亟待解決的重大現(xiàn)實問題。因此，同時具有高結(jié)合強度和高裂紋萌生、擴展抗力的抗沖蝕涂層成為當(dāng)今葉尖涂層領(lǐng)域的研究熱點之一。為了融合多種非本征強韌化方法，獲得具備高韌性、高硬度的特性，涂層的微結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要。

2）國際前沿的磁過濾陰極真空弧技術(shù)作為新一代載能離子束涂層沉積技術(shù)，分別展現(xiàn)出自己在微結(jié)構(gòu)設(shè)計、成分調(diào)控等方面的獨特的技術(shù)優(yōu)勢，并精確定制化地滿足極端工況下葉尖防護的多方面性能需求，為涂層的抗沖蝕等性能的挑戰(zhàn)提供了良好的解決方案，未來有望實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

3）目前，美、英等發(fā)達國家在抗沖蝕領(lǐng)域正朝著涂層體系不斷更新、結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理、強韌匹配更加完善、制備技術(shù)更加成熟的方向發(fā)展，并已成功應(yīng)用于實戰(zhàn)。我國在此領(lǐng)域還暴露出沖蝕機理研究不深入、結(jié)構(gòu)設(shè)計不豐富、評估手段不完善等關(guān)鍵問題，這也都是未來我國在葉尖抗沖蝕防護涂層領(lǐng)域的發(fā)展方向和研究重點。