海洋环境下物理气相沉积氮/碳基抗磨蚀涂层的研究进展

2022-04-21 15:34:40 作者：表面技术来源：表面技术分享至：

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汪爱英，博士，中国科学院宁波材料技术与工程研究所二级研究员、博士生导师，所属材料技术所所长，中科院海洋新材料与应用技术重点实验室副主任。主要从事表面强化防护涂层与功能改性技术领域的研究。发表论文150余篇，授权发明专利62项，4项成果获转化应用。担任中国真空学会理事/薄膜专委会副主任、中国机械工程学会摩擦学分会理事/表面工程分会常务委员等。

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海洋环境下物理气相沉积氮/碳基抗磨蚀涂层的研究进展

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本文综述了海洋环境氮基与碳基抗磨蚀防护涂层及应用技术的发展现状，重点对比了喷涂、高能束表面改性、物理气相沉积（Physical vapor deposition, PVD）三种常用涂层制备技术的优劣势，探讨了不同涂层在海水磨蚀服役过程中，组分、过渡层、多层等微结构设计对涂层力学特性、磨蚀性能的影响，归纳了海水磨蚀环境中涂层失效分析方法和损伤机理。最后，对新型海洋抗磨蚀功能防护涂层的未来发展方向做了思考与展望。

关键词：海洋环境；物理气相沉积；氮基涂层；碳基涂层；磨蚀性能；失效机理

01 背景介绍

21世纪是海洋的世纪。发展先进海洋工程装备已成为实现国家海洋强国重大战略的重要保障。在海洋高湿、高热、高盐、重载等服役环境中，船舶推进器轴承、潜艇浮力调节系统、水下机器人关节、海水液压动力柱塞泵、深海钻井升沉补偿装置等海工装备关键运动部件，面临严苛的力学-摩擦学-电化学腐蚀耦合加剧性能退化失效问题，这严重影响海工装备的高性能、长寿命、安全可靠服役。基于先进的表面工程材料技术，设计和发展海洋环境用高性能抗磨蚀防护涂层材料，已成为材料科学、机械摩擦学和海洋学科领域的研究交叉前沿。

海洋环境中摩擦运动部件面临的威胁

02 论文配图

1 海洋环境中耐磨蚀涂层的制备技术

目前，抗磨蚀涂层的制备技术主要包括喷涂、高能束表面改性、物理气相沉积（Physical vapor deposition, PVD）技术，不同技术制备的防护涂层性能各异。在海洋严苛环境下，与陶瓷和金属基复合涂层相比，氮/碳基涂层表现出较低的腐蚀电流密度和磨损率，是未来发展阀门、柱塞、轴承等海洋装备运动摩擦配副表面防护涂层的理想选择。

抗磨蚀涂层在海水环境中的磨损率和腐蚀电流密度比较

2 氮基涂层抗海水磨蚀性能研究进展

氮基涂层主要包括过渡金属氮化物及其二元、三元、多元衍生物，如CrN、TiN、CrSiN等。通过涂层复合组分与结构设计调控，能提高材料致密度，减少腐蚀介质渗透，进而改善其抗磨蚀性能。

海水中不同Mo含量CrMoSiCN涂层的极化曲线和磨损体积

CrN/AlN涂层截面TEM及其与基体和单一CrN涂层在海水中摩擦极化曲线对比

3 碳基涂层抗海水磨蚀性能研究进展

碳基涂层主要指由金刚石相sp3和石墨相sp2杂化键组成的一大类非晶碳材料，其力学、摩擦学和化学惰性非常优异，且可由多种低温PVD方法大面积均匀制备，基体适用广。目前，如何进一步提高PVD碳基涂层的结构致密性，突破涂层强韧多功能防护协同，获得多种基体表面的强牢靠膜基结合，被认为是实现碳基涂层长寿命抗磨蚀防护服役的共性科学技术挑战。通过引入过渡层、掺杂金属或非金属元素、制备多层复合结构，是解决上述问题的主要途径。

DLC、Cr和WC掺杂DLC涂层在大气及海水环境下的磨损率

Cr/GLC涂层的TEM和EELS结果表明：Cr过渡层利于界面处特殊咬合提高结合力和石墨化

Cr/WC/a-C梯度多层涂层结构和Cr/GLC多层涂层截面TEM，阻碍裂纹穿过界面，延长腐蚀液到达基体的路径，且优化功能顶层，实现涂层整体强韧耐磨与防腐蚀一体化

4 氮/碳基涂层的磨蚀失效机理研究

海洋环境复杂及磨蚀工况多样，受限于氮/碳基涂层材料磨蚀行为的多场耦合测试与结构表征困难，涂层相关磨蚀失效机理目前尚不明晰。对于氮基涂层体系而言，磨蚀过程中涂层主要发生表面钝化膜破环和再生成过程，当钝化膜被摩擦破坏后，暴露出较高电化学活性新鲜表面，在海水和周围钝化表面形成原电池，加剧了涂层腐蚀失效。而对于不生成钝化膜但化学惰性极佳的碳基涂层，海水主要通过生长孔隙等本征缺陷或摩擦产生的磨坑、裂纹腐蚀等通道侵入涂层/基体界面，诱发电化学反应，并在耦合滑动摩擦作用下加剧界面开裂或涂层剥落。由于涂层磨蚀失效是一物理、化学及电化学相互影响的复杂动态过程，如何具体从微观尺度、原位表征以及苛刻环境模拟评价角度，进一步明晰涂层磨蚀失效机理，并提出延寿防护新策略，仍面临挑战。

03 结语

设计和开发先进的海洋抗磨蚀防护涂层材料与应用技术，对于支撑我国海洋工程装备的发展和海洋强国战略实施具有重要的科学意义。针对海洋高盐雾、高湿度、高温度交变、高载荷压力等多场耦合环境，材料表/界面面临更复杂的摩擦、腐蚀、磨蚀、疲劳、甚至微生物污损等动态服役性能挑战，这对传统的防护涂层材料理论、实验测试方法、制备仪器设备等都提出了更高挑战需求。一方面，需进一步通过涂层组分/结构调控和优化设计，减少表/界面缺陷和膜基界面热力学不匹配，来实现涂层高硬度/低摩擦/强韧/功能防护的一体协同。另一方面，需进一步研制具有高空间分辨率、高灵敏度，能无损、快速检测不同化学惰性涂层的测试仪器，并建立相关磨蚀检测标准方法，例如扫描开尔文探针、扫描探针电化学显微镜等，这有望为深入理解和揭示复杂海洋环境中涂层的力学-化学-电化学耦合服役行为和损伤失效机理提供重要保障。另外，考虑海工装备运动部件服役工况多样，还急需进一步完善材料海洋室内性能测试、实海挂片动态模拟、深远海台架服役评测、甚至原位动态结构表征的平台。这不仅是未来发展海洋先进防护材料技术的重要内容，也已成为材料科学、机械摩擦学、表面技术、海洋工程领域的交叉前沿方向。

引文格式：

李淑钰，刘应瑞，郭鹏，孙丽丽，柯培玲，汪爱英*. 海洋环境下物理气相沉积氮/碳基抗磨蚀涂层的研究进展[J]. 表面技术， 2021, 50（7）： 44-56.

LI Shu-yu, LIU Ying-rui, GUO Peng, SUN Li-li, KE Pei-ling, WANG Ai-ying*. Research Progress of Nitrogen/Carbon-based Anti-tribocorrosion Coatings by Physical Vapor Deposition for Marin eApplications[J]. Surface technology, 2021, 50（7）： 44-56.

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