寧波材料所在PVD涂層大厚度連續(xù)生長機(jī)理研究方面取得進(jìn)展
通過物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）技術(shù)制備的涂層（例如氮化鉻、氮化鈦、氮化鋯、類金剛石涂層以及基于這些涂層的復(fù)合涂層）具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性好和抗高溫氧化性好等優(yōu)點(diǎn), 已廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、機(jī)械制造、汽車零部件、工具、刀具、模具、裝飾等多個領(lǐng)域。但是由于涂層內(nèi)部較大殘余應(yīng)力的存在，涂層的可鍍厚度受到極大限制，嚴(yán)重制約了其在苛刻工況關(guān)鍵重要零部件表面的進(jìn)一步應(yīng)用。盡管目前已經(jīng)可以通過元素?fù)诫s、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法緩解涂層內(nèi)應(yīng)力，但是涂層連續(xù)沉積的可鍍厚度仍然有限，并且缺乏PVD涂層大厚度可控制備的理論基礎(chǔ)。
近期，中科院寧波材料所海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋環(huán)境材料團(tuán)隊(duì)以典型CrN基涂層為例，結(jié)合涂層精細(xì)結(jié)構(gòu)、von Mises屈服準(zhǔn)則和赫茲接觸理論，揭示了涂層連續(xù)沉積過程中的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，闡釋了大厚度涂層高承載條件下的摩擦學(xué)機(jī)理，為PVD涂層的大厚度連續(xù)制備及其高承載摩擦學(xué)防護(hù)提供了理論依據(jù)。隨著CrN涂層連續(xù)生長時間的增加，由于離子轟擊效應(yīng)、柱狀晶之間的界面作用以及涂層與基體的熱膨脹系數(shù)差異，在涂層連續(xù)生長和冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷聚集將產(chǎn)生逐漸增長的殘余應(yīng)力。然而，當(dāng)通過控制等離子體能量和真空溫度場使得涂層生長過程中受到的熱效應(yīng)達(dá)到某種平衡時，涂層內(nèi)部發(fā)生弛豫現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)缺陷將在足夠的驅(qū)動力作用下發(fā)生合并和擴(kuò)散，并最終被吸收和湮沒，涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力出現(xiàn)持續(xù)下降的“反”積聚現(xiàn)象。正是由于涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力的持續(xù)下降，使得CrN基涂層厚度隨著制備時間的增加呈線性增加。較小的殘余應(yīng)力和較大的厚度也使得CrN基涂層展示了極好的結(jié)合強(qiáng)度和內(nèi)聚力，并且顯示了超高的摩擦學(xué)承載能力。其高承載摩擦學(xué)機(jī)理主要在于，足夠的厚度使得涂層在滑動摩擦測試中擺脫了基體塑性變形作用，最大程度地展現(xiàn)出了低摩擦與低磨損特性?；谠摯蠛穸壬L機(jī)理，CrCN、CrAlN等多種CrN基涂層均實(shí)現(xiàn)了可鍍厚度突破，更廣泛的普適性驗(yàn)證工作正在進(jìn)行。
上述研究工作受到了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃，2014CB643302）、國家自然科學(xué)基金（51475449）、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA13040602）以及江蘇省重點(diǎn)研究與發(fā)展計(jì)劃（BE2016115）等項(xiàng)目的資助支持。先后在ACS Applied Material & Interfaces等表面工程主流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文多篇（ACS Applied Material & Interfaces, 2018, 10, 2965?2975；Surface and Coatings Technology, 2017, 321: 350-357； Tribology International, 2017, 106: 78-87；Surface and Interface Analysis, 2017, 49(4): 323-333；Wear, 2016, 362-363: 97–104；Surface & Coatings Technology, 2015, 270: 305–313等），并申請國家發(fā)明專利多項(xiàng)（201310477578.1，201410676157.6，201510661726.4，201610198819.2，201710089784.3，201710228561.0，201711397143.0等）。
該理論的突破以及多種大厚度金屬氮化物基涂層的成功制備，極大擴(kuò)展了PVD涂層在高速、重載、腐蝕等苛刻工況下的潛在應(yīng)用，部分涂層已經(jīng)成功應(yīng)用在液壓馬達(dá)、流體閥門以及船用緊固件等領(lǐng)域，為此類重載運(yùn)動部件的高可靠性耐磨防護(hù)提供了有效方法。
涂層微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)應(yīng)力以及厚度隨生長時間持續(xù)增加的變化情況
（表面事業(yè)部 李澤超 胡藝紋 李晨）