薛鵬，李小兵，陳波，潛坤，張孟殊，舒磊，劉奎

TiAl基金屬間化合物表面涂層研究進(jìn)展

薛鵬，李小兵，陳波，潛坤，張孟殊，舒磊，劉奎

（季華實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528251）

TiAl合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，可以作為Ni基高溫合金的輕量化替代材料，但氧化和磨損等行為限制了TiAl合金的高溫服役時(shí)間，不利于工業(yè)化應(yīng)用。通過(guò)在TiAl合金表面沉積涂層，可以使材料兼具基體的力學(xué)性能和涂層材料的表面性能，以提高TiAl合金適應(yīng)不同服役環(huán)境的能力，進(jìn)而拓展其應(yīng)用范圍。列舉了TiAl合金使用的涂層材料應(yīng)具有的性質(zhì)；介紹了常見(jiàn)涂層的制備方法；以涂層成分分類(lèi)，分別總結(jié)了不同涂層體系的研究現(xiàn)狀，并展望了制備工藝和涂層性能的發(fā)展趨勢(shì)。

TiAl合金；涂層；抗氧化性；耐磨性

作為一種受到高度關(guān)注的高溫結(jié)構(gòu)材料，TiAl合金在900 ℃以?xún)?nèi)可以體現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和蠕變抗力，同時(shí)其密度較低，在航空[1]、汽車(chē)[2]等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，有助于提高動(dòng)力系統(tǒng)的熱效率和輸出功率[3]，同時(shí)減少溫室氣體排放，為實(shí)現(xiàn)2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)提供助力。

相比于高溫合金，TiAl合金的化學(xué)活性較強(qiáng)，當(dāng)其作為壓氣機(jī)葉片或低壓渦輪葉片應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要避免高溫氧化，使發(fā)動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定工作。同時(shí)，TiAl合金耐磨性較低[4]，作為氣門(mén)應(yīng)用于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要減少其與氣門(mén)導(dǎo)桿之間的磨損，進(jìn)而降低油耗并提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命[5-6]。為了提高TiAl合金的高溫抗氧化性和耐磨性，往往采用合金化方法，即向基體中添加W、Mo、Cr、Nb、Si、Ag等合金元素[7-9]。但對(duì)于已經(jīng)相對(duì)成熟的TiAl合金，合金元素的大量添加對(duì)其高溫力學(xué)性能往往會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，由此這種處理方法的改善作用是有限的。而通過(guò)表面改性技術(shù)在合金表面制備涂層，可以保持基體的力學(xué)性能不變，同時(shí)提高合金的抗氧化性和耐磨性，這有利于靈活定制具有不同性能的TiAl合金來(lái)適應(yīng)不同的服役環(huán)境，從而提高TiAl合金的服役性能并進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。從TiAl合金涂層應(yīng)滿(mǎn)足的性能需求出發(fā)，綜述目前常用的涂層制備方法，以及不同成分體系涂層的研究現(xiàn)狀，并對(duì)涂層制備技術(shù)和涂層性能的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 TiAl合金表面涂層性能需求

TiAl合金表面涂層主要針對(duì)TiAl合金在高溫條件下抗氧化、耐磨性較低等問(wèn)題，在涂層設(shè)計(jì)、制備及性能評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)予以著重考慮。通常認(rèn)為，涂層應(yīng)能具有以下幾種特性。

1）涂層材料在高溫條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免涂層分解而造成失效。

2）涂層材料應(yīng)致密，能有效阻止基體與氧直接接觸，并具有較低的鈦、氧等元素遷移速率。

3）涂層與基體應(yīng)緊密結(jié)合且熱膨脹系數(shù)接近，以免在制備、熱處理及使用過(guò)程中因結(jié)合不牢固和應(yīng)力集中而出現(xiàn)涂層開(kāi)裂甚至脫落現(xiàn)象。

4）涂層在高溫下可以保持較高的硬度，且涂層的磨損失重與氧化增重接近平衡，或涂層材料潤(rùn)滑性能較強(qiáng)。

在涂層制備過(guò)程中，為了調(diào)和基體與主要涂層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配或增強(qiáng)基體與涂層的結(jié)合力，涂層通常具有多層結(jié)構(gòu)，即存在一層或多層的過(guò)渡層。多層結(jié)構(gòu)對(duì)于提高涂層抗氧化性有益，但其制備工藝復(fù)雜，層與層之間易引入缺陷，且涂層厚度較大時(shí)容易因熱應(yīng)力較大誘發(fā)裂紋。因此，多層結(jié)構(gòu)涂層在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮合理配置過(guò)渡層。

2 TiAl合金表面涂層常見(jiàn)制備工藝

2.1 熱噴涂?激光熔敷技術(shù)

熱噴涂技術(shù)以火焰、電流或等離子體等為熱源將材料加熱至熔化，使熔體在高速氣流的作用下噴射沉積在材料表面，以此制備與基體之間機(jī)械嚙合的涂層[10]。這種技術(shù)操作簡(jiǎn)單靈活，噴涂效率高，適用的涂層和基體材料范圍廣，且基體的尺寸和外形不受限制。但是，傳統(tǒng)的熱噴涂涂層氧化物夾雜和缺陷較多，且與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，難以滿(mǎn)足高溫等環(huán)境下的服役條件。因此，在熱噴涂后可以采用激光熔敷技術(shù)，使涂層與基體表面發(fā)生互溶形成冶金結(jié)合，以提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度并改善抗氧化性和耐磨性。如圖1所示，相比于熱噴涂涂層，宮雪[11]使用熱噴涂?激光熔敷技術(shù)制備的NiCoCrAlY涂層與基體結(jié)合良好，且添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的Sm2O3作為激光吸收材料，可以阻礙激光熔敷涂層裂紋的形成，使涂層均勻致密。熱噴涂?激光熔敷技術(shù)可以制備符合要求的抗氧化、熱障和耐磨涂層，涂層成分包括但不限于合金、氧化物陶瓷等體系。但涂層材料和TiAl合金基體在處理過(guò)程中受到冷熱循環(huán)沖擊，有明顯的裂紋形成傾向。同時(shí)，激光熔敷設(shè)備成本較高，噴涂過(guò)程中的粉塵污染難以避免等問(wèn)題還有待解決。此外，激光熔敷工藝參數(shù)的選擇與熱噴涂后材料的表面狀態(tài)直接相關(guān)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整，對(duì)人員的操作經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。

圖1 熱噴涂和激光熔敷后TiAl合金表面形貌和截面形貌

2.2 物理氣相沉積技術(shù)

物理氣相沉積技術(shù)（Physical Vapor Deposition，PVD）是指在真空條件下，通過(guò)加熱、電弧或離子轟擊、等離子體電離等方法使靶材氣化或電離，在合金表面沉積具有特殊功能的薄膜技術(shù)。該技術(shù)可沉積合金、化合物及陶瓷等薄膜材料，且成膜均勻致密，與基體的結(jié)合強(qiáng)度較高，是一種應(yīng)用范圍廣泛的涂層制備技術(shù)[12-14]。PVD技術(shù)沉積的MCrAlY涂層可以促進(jìn)連續(xù)Al2O3膜的形成，從而提高TiAl合金的高溫抗氧化性；TiN及TiAlN涂層具有高硬度、耐磨、低摩擦因數(shù)等特點(diǎn)，適用于TiAl合金氣門(mén)桿的硬化減摩。該技術(shù)對(duì)于環(huán)境氣氛、靶材純度、基板溫度及產(chǎn)品幾何形狀有較高的要求，因而生產(chǎn)成本仍較高。

2.3 擴(kuò)散滲（包埋滲）技術(shù)

擴(kuò)散滲（包埋滲）技術(shù)是指將工件置于滲劑之中，并在惰性氣體環(huán)境中加熱保溫一段時(shí)間，使活性原子從滲劑中釋放出來(lái)，吸附于工件的表面并向其內(nèi)部擴(kuò)散，在工件表面形成擴(kuò)散層的化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）。該技術(shù)曾主要應(yīng)用于Ni基高溫合金，即在工件表面滲Al以形成β?NiAl相。對(duì)于TiAl合金，除了滲Al以外，已開(kāi)發(fā)出了滲Si、Al?Si共滲等方法來(lái)提高合金的高溫抗氧化性。作為一種采用表面合金化方法制備涂層的技術(shù)，擴(kuò)散滲（包埋滲）技術(shù)盡管具有運(yùn)行成本較低，可以適用于復(fù)雜外形工件，涂層與基體結(jié)合良好等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于TiAl合金成分的改變，尤其是Al含量的增加將提高涂層的脆性，而Si含量的提高使α相穩(wěn)定化，這有可能引起晶粒粗化進(jìn)而降低涂層和基體的力學(xué)性能。擴(kuò)散滲（包埋滲）技術(shù)雖然可以直接提高基體表面抗氧化元素的含量，但合金元素的滲入和較高的處理溫度有可能影響TiAl合金基體的組織及力學(xué)性能。因此，這種技術(shù)在TiAl合金中的應(yīng)用仍需謹(jǐn)慎。

2.4 微弧氧化技術(shù)

微弧氧化技術(shù)是指將工件置于電解液之中，在電脈沖的作用下，利用工件與電解液之間弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓，激活和增強(qiáng)工件的氧化反應(yīng)，從而制備氧化物涂層的技術(shù)。涂層生長(zhǎng)示意圖見(jiàn)圖2[15-16]。該技術(shù)制備的涂層硬度高、耐磨損，且由于其為金屬表面原位生長(zhǎng)，與基體間結(jié)合力強(qiáng)[17]。Li等[18]的研究結(jié)果表明，微弧氧化涂層與TiAl合金基體結(jié)合良好，涂層的存在使合金的高溫長(zhǎng)時(shí)間氧化增重僅為無(wú)涂層合金的1/3。汪華月等[19]測(cè)試了多種微弧氧化涂層，發(fā)現(xiàn)以鈦酸鋁為主要成分的涂層硬度可達(dá)894HV，這顯著高于TiAl合金的硬度（約300HV）。微弧氧化涂層可以提高TiAl合金的抗氧化性和硬度，且適用于處理復(fù)雜外形工件，涂層生長(zhǎng)速度快，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。但是其能耗較大，反應(yīng)機(jī)理尚無(wú)定論，電解液的重復(fù)使用將影響涂層質(zhì)量，且電解液的排放存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，更重要的是氧化物涂層的脆性本質(zhì)使其在冷熱循環(huán)過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋直至剝落，因此，需要進(jìn)一步的理論研究來(lái)克服上述問(wèn)題。

圖2 微弧氧化涂層生長(zhǎng)過(guò)程示意圖[20]

3 TiAl合金表面涂層材料體系

3.1 MCrAlY涂層

MCrAlY涂層（M為Ni、Co、NiCo等）的工作溫度上限約1 000 ℃，具有優(yōu)異的抗氧化性能和綜合力學(xué)性能。該涂層自上世紀(jì)70年代以來(lái)逐漸得到關(guān)注，并大規(guī)模應(yīng)用于Ni基高溫合金的熱防護(hù)。由于MCrAlY涂層的主要制備方法為熱噴涂或物理氣相沉積，因而對(duì)于基體材料并無(wú)特殊要求。大量研究結(jié)果[21]表明，在TiAl合金表面制備的MCrAlY涂層同樣可以提供優(yōu)異的高溫抗氧化和抗腐蝕能力。在高溫環(huán)境下，MCrAlY涂層表面形成連續(xù)致密的Al2O3或Cr2O3膜，以此阻礙氧離子與基體中的金屬離子結(jié)合。MCrAlY涂層中的M代表了Ni、Co等涂層的主要組成元素，Ni元素的作用是形成具有一定韌性的基體相，即γ'?Ni3Al、γ?Ni相和β?NiAl，這3種相為L(zhǎng)12、面心立方和B2結(jié)構(gòu)；Co元素的添加可以提高涂層抗熱腐蝕性，其與Al結(jié)合形成β?CoAl相，可提高涂層的延展性；Al元素的主要作用是形成保護(hù)性的Al2O3膜；Cr元素是氧化膜形成元素之一，也可以提高Al元素的活性，促進(jìn)氧化膜的形成；Y元素可以細(xì)化晶粒，并提高氧化膜的黏附性。另外，β相富鋁并彌散分布于涂層之中，對(duì)于Al2O3的形成有益[22]；Cr元素通常以體心立方α–Cr相的形式存在，這種相具有較好的抗熱腐蝕性能，但因無(wú)法固溶較多的Al元素，抗氧化性能較弱。添加Co元素能提高Cr在γ相基體中的溶解度，可用來(lái)消除α相[23]。

當(dāng)MCrAlY涂層表面在高溫氧化過(guò)程中形成連續(xù)的Al2O3膜后，合金的氧化速率顯著降低，但Al2O3相有多種晶體結(jié)構(gòu)，除了穩(wěn)定的α?Al2O3以外，還有多以針狀或片狀組織出現(xiàn)的γ?Al2O3、δ?Al2O3、θ?Al2O3等亞穩(wěn)相，這些相中Al離子的擴(kuò)散速度很快，導(dǎo)致了Al2O3膜的快速生長(zhǎng)[24]。當(dāng)Al2O3膜厚度增加，在亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相的過(guò)程中體積收縮，在膜內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，且由于在冷熱循環(huán)過(guò)程中Al2O3膜與涂層、基體的熱膨脹不匹配，將誘發(fā)Al2O3膜的開(kāi)裂與脫落，使Al元素不斷損失，最終導(dǎo)致涂層失效。Han等[25]的研究結(jié)果表明，真空等離子噴涂制備的NiCrAlY涂層與Ti42Al5Mn合金基體結(jié)合良好，但在空氣中950 ℃等溫加熱60 h后，涂層材料與基體間的成分差異引起了元素互擴(kuò)散（見(jiàn)圖3）。這種相互擴(kuò)散一方面增強(qiáng)了涂層與基體之間的冶金結(jié)合，另一方面也會(huì)導(dǎo)致涂層中有效抗氧化元素的流失。更重要的是互擴(kuò)散層內(nèi)將形成硬脆相，惡化該區(qū)域的力學(xué)性能，且不同元素原子的擴(kuò)散速率不同，互擴(kuò)散層內(nèi)會(huì)形成柯肯達(dá)爾孔洞，這將導(dǎo)致互擴(kuò)散層內(nèi)易形成裂紋，從而導(dǎo)致涂層失效[26]。

圖3 NiCrAlY涂層與TiAl合金基體在高溫氧化前后的截面形貌

為了減緩氧化與退化造成的MCrAlY涂層失效，進(jìn)而提高涂層性能和延長(zhǎng)服役時(shí)間，人們采用了多種方法以實(shí)現(xiàn)涂層的改進(jìn)，如采用合金化、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱處理等。宮雪等[27]在NiCoCrAlY合金粉末中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的Mo，經(jīng)過(guò)900 ℃、10 h的氧化后，NiCoCrAlYMo涂層樣品的氧化增重遠(yuǎn)低于無(wú)涂層樣品，但略高于NiCoCrAlY涂層樣品。從棒形貌和結(jié)構(gòu)表征可以發(fā)現(xiàn)，MoO3的形成和揮發(fā)破壞了Al2O3膜的連續(xù)性，但Mo的添加促使涂層與基體界面處形成了釘狀的Al2O3相，提高了涂層與基體的粘附力，且Al2O3與MoO3的存在阻礙了涂層與界面元素的互擴(kuò)散。同樣是Mo元素，Han等[25]將其作為過(guò)渡涂層沉積于TiAl合金基體與NiCrAlY涂層之間，用以抑制涂層與基體的元素互擴(kuò)散。950 ℃高溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在200 h的氧化時(shí)間內(nèi)，Mo涂層的厚度沒(méi)有明顯變化，涂層與基體之間未發(fā)生元素互擴(kuò)散，即Mo涂層的存在顯著減緩了NiCrAlY涂層的退化進(jìn)程，氧化實(shí)驗(yàn)前后涂層的截面形貌如圖4所示。苗小鋒等[28]在NiCoCrAlY涂層中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的Ta，提高了β相的含量，進(jìn)而改善了涂層的抗氧化性。陳建國(guó)等[29]認(rèn)為，Ta的加入降低了涂層內(nèi)元素的擴(kuò)散速率，有利于提升涂層的抗氧化性，但Ta2O5在高溫下與Al2O3或Cr2O3反應(yīng)生成的CrTaO4或AlTaO4等尖晶石類(lèi)氧化物為多孔結(jié)構(gòu)，且反應(yīng)過(guò)程中的體積變化引入了內(nèi)應(yīng)力，對(duì)于涂層的抗熱震性能不利。Liang等[30]將Re加入NiCoCrAlY涂層材料中，促進(jìn)了α、σ等富Cr相的析出，盡管降低了涂層與基體熱膨脹的不匹配程度，卻加劇了涂層的氧化。劉書(shū)彬等[31]在NiCrAlY涂層材料中添加Sc，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的添加量使涂層表現(xiàn)出更好的抗氧化性，其原因在于Sc促進(jìn)了α?Al2O3的形成，并使其以釘狀形成于氧化膜與涂層之間。相似的機(jī)制也使得Hf和Zr的添加抑制了NiCoCrAlY涂層上氧化膜的剝落[32]。在合金化的基礎(chǔ)上，也可以通過(guò)對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控以改善性能。例如，Lu等[33]通過(guò)球磨的方法使Y元素在NiCoCrAlY涂層材料中均勻分布，從而抑制了YAlO3的形成，減慢了涂層的氧化速率。

圖4 NiCrAlY+Mo涂層與TiAl合金基體在高溫氧化前后的截面形貌

由于MCrAlY涂層與TiAl合金基體的成分差異較大，原子互擴(kuò)散趨勢(shì)明顯及熱膨脹系數(shù)不匹配，二者的直接結(jié)合并不能取得令人滿(mǎn)意的結(jié)果。為此，人們將MCrAlY涂層與多種具有不同功能的涂層組合起來(lái)，由此制備的多層結(jié)構(gòu)涂層往往具有更優(yōu)異的性能表現(xiàn)。例如，由氧化鋯穩(wěn)定氧化釔（Yttria-stabilized Zirconia，YSZ）等為代表的表面陶瓷隔熱層、MCrAlY和TiAl?X等為代表的熱生長(zhǎng)涂層和粘接層組成的多層結(jié)構(gòu)涂層。必要時(shí)還需要在涂層和基體間沉積Mo、Ni?Re[34]或Al2O3[35]等擴(kuò)散障涂層來(lái)阻礙互擴(kuò)散，以進(jìn)一步延長(zhǎng)涂層壽命。

3.2 TiAl?X涂層

在TiAl合金氧化的過(guò)程中，TiO2與Al2O3的形成能接近，因此，即使Al的原子數(shù)分?jǐn)?shù)大于50%，合金表面氧化后也僅能形成TiO2與Al2O3的混合氧化物。TiO2晶體中缺陷較多，Ti與O離子在其中擴(kuò)散速度較快，且Ti由基體向外快速擴(kuò)散而形成大量柯肯達(dá)爾孔洞（見(jiàn)圖5），使氧化層與基體的結(jié)合變?nèi)酰虼?，TiAl合金在800 ℃以上的高溫抗氧化性能較差。而添加合金化元素制備的TiAl?X涂層材料（X為Cr[36]、Si[37]、Nb[38]等），其在高溫下TiO2的析出受到抑制，連續(xù)Al2O3膜容易形成，從而保護(hù)了TiAl合金基體，有效地提高了合金的抗氧化性，進(jìn)而提高TiAl合金的服役性能。TiAl?X涂層與基體的成分、熱膨脹系數(shù)接近，涂層與基體間元素互擴(kuò)散不明顯，且具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。

Nadine等[39]將TiAlCrY涂層沉積于Ti48 Al2Cr2Nb（4822）和Ti43Al4Nb1Mo0.1B（TNM?B1）等2種合金基體之上，使這2種合金的抗氧化性得以提高。由于4822合金中含有原子數(shù)分?jǐn)?shù)2%的Cr，使涂層與基體的互擴(kuò)散減慢，且涂層中Laves相和U相的形成使表層的Al2O3膜可以穩(wěn)定存在，因此4822合金與TiAlCrY涂層的結(jié)合體現(xiàn)出更好的抗氧化性。Wang等[40]使用冷噴涂方法在Ti47Al2Cr2Nb0.15B合金表面涂布Al20Si涂層，再通過(guò)熱處理使元素?cái)U(kuò)散，在樣品表面形成TiAlSi涂層，在900 ℃條件下長(zhǎng)時(shí)間氧化后，涂層樣品的氧化增重約為未處理樣品的1/4。涂層中Al元素向基體內(nèi)擴(kuò)散，在涂層與基體的交界處形成了TiAl2層，Si元素的擴(kuò)散被TiAl2層阻礙，在TiAl2層外形成了Ti5Si4、Ti5Si4和Ti（Al， Si）等3相，這些相都可以阻礙氧向基體的擴(kuò)散。Dai等[38]使用激光熔敷技術(shù)制備了TiAlNb涂層，發(fā)現(xiàn)Nb元素的添加促進(jìn)了涂層表面連續(xù)Al2O3相的形成，且提高了氧化物層與涂層之間的結(jié)合力，降低了涂層的開(kāi)裂傾向。同時(shí)，Nb5+離子可以填充TiO2中的Ti4+離子空位，降低氧的擴(kuò)散速率，從而顯著提高了涂層的抗氧化性能。Dai等又在TiAl涂層中同時(shí)調(diào)控Si和Nb元素的含量，從而加快了Al元素向外擴(kuò)散，促使連續(xù)Al2O3膜形成，同時(shí)抑制Ti元素的擴(kuò)散，使氧化物晶粒細(xì)化，氧化膜內(nèi)應(yīng)力降低，消除了氧化過(guò)程中的涂層剝落現(xiàn)象[41]。雖然TiAl?X涂層的綜合性能優(yōu)異，但也應(yīng)注意TiAl系合金在1 000 ℃以上將發(fā)生復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而影響涂層的力學(xué)性能和抗氧化能力，這限制了TiAl?X涂層服役溫度的進(jìn)一步提升。為此，可以嘗試少量添加合金元素來(lái)提高涂層材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖5 AlCoCrFeNi高熵合金在不同溫度下的磨損行為

3.3 高熵合金涂層

2004年，葉均蔚等[42-43]在合金設(shè)計(jì)過(guò)程中引入多主元概念，制備了具有主元近等原子比、混合熵較高、晶格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特征的高熵合金。在高熵合金的晶格點(diǎn)陣上，占位原子的種類(lèi)是隨機(jī)的，晶格畸變嚴(yán)重[44]，因此高熵合金體現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)合金的力學(xué)、物理和化學(xué)性質(zhì)[45-46]。由于原子間相互作用復(fù)雜，原子擴(kuò)散較為緩慢，高熵合金在高溫條件下可以表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能[47]，更重要的是原子難以擴(kuò)散，有助于提高合金的抗氧化能力，這些性能特點(diǎn)使高熵合金成為了抗氧化材料領(lǐng)域的熱門(mén)研究對(duì)象。如果將高熵合金沉積于TiAl合金表面，則有可能在減弱涂層與基體間原子互擴(kuò)散的同時(shí)，提高合金的抗氧化能力。

針對(duì)TiAl合金的服役溫度范圍，難熔高熵合金和以AlCoCrFeNi為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的合金可以兼具較好的抗氧化性能和高溫結(jié)構(gòu)、力學(xué)穩(wěn)定性，有望開(kāi)展大規(guī)模工程應(yīng)用。難熔高熵合金的優(yōu)點(diǎn)是高溫強(qiáng)度較高，但是由于氧化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致合金的抗氧化性較弱，通過(guò)添加Al、Cr等有助于形成致密氧化膜的非難熔元素，可以提高涂層的抗氧化性。Lu等[48]調(diào)控了Al元素在AlMoNbTaTiZr高熵合金中的含量，結(jié)果顯示，Al含量的增加可以提高合金的抗氧化性；Yan等[49]制備的WTaNbTiAl高熵合金，在1 000 ℃氧化過(guò)程中體現(xiàn)出具有較好的抗氧化性，主要由于外表面形成了AlNbO4和Ta8W9O47等結(jié)構(gòu)較為致密的氧化物。相比于難熔高熵合金，以AlCoCrFeNi為基礎(chǔ)的涂層材料應(yīng)用前景更為廣闊，這源于其與成熟的NiCoAlCrY涂層成分接近，生產(chǎn)前改進(jìn)已有設(shè)備的成本較低，且其Al含量更高，更容易形成連續(xù)的Al2O3膜。Lu等[50]通過(guò)熱噴涂在Hastalloy?X表面沉積了AlCoCrFeNiY涂層，涂層中除了γ相與β相之外還存在納米級(jí)面心立方相，在氧化初期，納米晶間相界作為擴(kuò)散通道加速了Al元素向涂層表面的擴(kuò)散，促進(jìn)了穩(wěn)定的連續(xù)α?Al2O3相形成。此外，AlCoCrFeNiY涂層形成α?Al2O3相所需的激活能高于傳統(tǒng)的NiCoCrAlY涂層，因而氧化膜生長(zhǎng)速度較低，不易剝落，增強(qiáng)了涂層的穩(wěn)定性。Sun等[51]在室溫至800 ℃范圍內(nèi)測(cè)試了AlCoCrFeNi高熵合金的磨損行為，結(jié)果如圖5所示，當(dāng)溫度較低時(shí)，合金的氧化產(chǎn)物作為硬質(zhì)顆粒加劇了基體的磨損；隨著溫度的提高，合金表面逐漸產(chǎn)生連續(xù)的氧化物膜，使合金的磨損形式逐漸由磨粒磨損向粘附磨損轉(zhuǎn)變，800 ℃時(shí)合金表面的磨損率最低，體現(xiàn)出了較強(qiáng)的耐磨性。Cui等[52]通過(guò)調(diào)控AlFeCoCrNiMn涂層中Al元素的含量，使樣品在600 ℃環(huán)境下的磨損量減少83%，與此同時(shí)，涂層材料的抗氧化性提高。在AlFeCoCrNiMn高熵合金涂層中，α?Al2O3的形成能最低，且其與α?Fe2O3和Cr2O3結(jié)構(gòu)近似，異質(zhì)形核作用較強(qiáng)，因而Al的添加使涂層表面能形成連續(xù)致密的α?Al2O3膜。α?Al2O3膜在高溫下的磨損機(jī)制為粘附磨損，氧化膜硬度高且不易破損，顯著降低了磨損量。此外，Al添加使涂層由單一面心立方相結(jié)構(gòu)向體心立方相與面心立方相混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，晶粒得以細(xì)化，涂層硬度提高，這同樣有助于提高涂層耐磨性。Liu等[53]制備的原位生成TiC顆粒增強(qiáng)AlFeCoCrNiTi高熵合金涂層主要由2種面心立方相組成。隨著Ti含量的提高，彌散析出的TiC增多，涂層硬度提高，使得涂層在室溫和高溫條件下更耐磨。綜上可見(jiàn)，高熵合金的高溫抗氧化性和耐磨性均較好，作為一種新型材料展現(xiàn)出了廣闊的科研和市場(chǎng)化應(yīng)用前景。但作為多主元合金，高熵合金的成分設(shè)計(jì)變量較多，氧化過(guò)程和產(chǎn)物極其復(fù)雜，往往難以實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控和優(yōu)化。此外，現(xiàn)階段高熵合金涂層的綜合性能相比于其他涂層并沒(méi)有顯著優(yōu)勢(shì)，而且其材料和加工設(shè)備成本較高，實(shí)用化仍任重道遠(yuǎn)。

3.4 氧化物陶瓷涂層

根據(jù)前述內(nèi)容可知，合金或涂層表面能否形成連續(xù)致密的Al2O3層，是TiAl合金抗氧化性能否提高的關(guān)鍵。潘萌等[54]采用微弧氧化技術(shù)，制備了由Al2TiO5、SiO2和Nb2O5相組成的陶瓷涂層，這種涂層在850 ℃以下可以保持完整100 h以上，從擬合氧化拋物線(xiàn)常數(shù)與溫度的Arrhenius關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，有涂層的合金具有更高的氧化激活能，即更好的抗氧化能力。Ma?ecka[55]的研究結(jié)果表明，Al2O3涂層阻礙了γ?TiAl合金的氧化。但由于Al2O3與基體的熱膨脹系數(shù)并不匹配，導(dǎo)致加熱過(guò)程中涂層存在開(kāi)裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖6），這導(dǎo)致氧氣經(jīng)過(guò)裂紋與基體接觸，使基體中的Ti氧化形成TiO2。TiO2的多孔結(jié)構(gòu)使O和Ti離子可以在其中擴(kuò)散，因而其生長(zhǎng)速度快于Al2O3并在裂紋處溢出。由此可見(jiàn)，氧化物陶瓷涂層在沉積完成后可以保持連續(xù)性，為基體提供保護(hù)，但涂層材料與基體的熱膨脹系數(shù)差異及涂層材料韌性不足將引起涂層在高溫下開(kāi)裂，降低涂層壽命且失去保護(hù)作用。

圖6 TiAl合金表面Al2O3涂層950 ℃氧化60 h后的形貌

直接在合金表面沉積的氧化物陶瓷涂層無(wú)法完全阻止氧元素的擴(kuò)散，而氧與基體作用形成的TiO2具有疏松多孔的特性，無(wú)法阻止進(jìn)一步氧化和氧化膜的剝落。因此，人們嘗試將氧化物陶瓷涂層沉積于其他涂層材料之上，由此進(jìn)一步提高涂層的抗氧化性能[56]。Zeng等[57]采用熱噴涂技術(shù)，在4822合金和NiCrAlY涂層之上制備了納米晶化的YSZ涂層，得益于該涂層較低的熱導(dǎo)率、孔隙率及晶粒細(xì)化引起的高韌性，在900 ℃氧化過(guò)程中NiCrAlY涂層上Al2O3的生長(zhǎng)速度較低，樣品的抗氧化能力增強(qiáng)。Pan等[58]在TiAlNb合金表面依次沉積了TiAlCrY和YSZ涂層，其在1 100 ℃的熱沖擊實(shí)驗(yàn)中可以承受210次循環(huán)而僅有少量（約為涂層面積的5%）剝落，其原因除了TiAlCrY涂層與基體和YSZ涂層的熱膨脹系數(shù)更接近以外，更在于YSZ涂層阻礙了氧元素?cái)U(kuò)散，經(jīng)210次高溫氧化循環(huán)后，涂層間Al2O3和TiO2混合層的厚度僅為3～5 μm，且沒(méi)有明顯的孔洞與裂紋等缺陷。研究者們也利用特定氧化物陶瓷涂層中離子擴(kuò)散緩慢的特性，在基體和其他涂層之間制備擴(kuò)散障。例如，Cheng等[59]在TiAl基體和NiCrAlY涂層之間添加了Cr2O3涂層，高溫環(huán)境下該涂層的存在誘導(dǎo)了連續(xù)Al2O3的形成，進(jìn)而抑制了Ni向基體的擴(kuò)散，提高了涂層壽命；Li等[35]在Ti2AlNb合金和NiCrAlY涂層之間沉積了不同厚度的Al2O3涂層，擴(kuò)散障的存在限制了800 ℃條件下涂層與基體的互擴(kuò)散，使Ti無(wú)法向NiCrAlY涂層表面擴(kuò)散及形成疏松、非保護(hù)性的金紅石型TiO2相，從而增強(qiáng)了涂層的抗氧化能力。由此看來(lái)，氧化物陶瓷致密的結(jié)構(gòu)可以阻礙氧元素和金屬原子的擴(kuò)散，但其本征脆性無(wú)法阻止裂紋的產(chǎn)生，更適合作為熱障或擴(kuò)散障配合其他涂層發(fā)揮作用。

3.5 TiN類(lèi)陶瓷涂層

TiN類(lèi)非氧化物陶瓷是一種用途十分廣泛的涂層材料，其主要性能特點(diǎn)為高硬度、低摩擦因數(shù)、耐磨損和耐腐蝕等[60]。因此，TiN類(lèi)陶瓷涂層最早成功應(yīng)用于金屬切削刀具、鉆頭、模具等工具上，有效提高了這些工具的使用壽命[61]。但隨著金屬切削加工技術(shù)的進(jìn)步，切削速率越來(lái)越高，這就要求涂層材料具有更高的硬度、耐磨性、韌性和高溫穩(wěn)定性。目前，應(yīng)用較為成熟的二元TiN類(lèi)陶瓷涂層材料的最高使用溫度約500 ℃，可以作為減摩和抗氧化涂層應(yīng)用于TiAl合金上，但應(yīng)用于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中時(shí)，其熱穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高以適應(yīng)更高的服役需求。因此，嘗試了在傳統(tǒng)的TiN二元涂層中添加合金元素，以改善其性能，由此研發(fā)出了TiAlN、TiAlCrN、TiAlSiN和TiAlBN等一系列涂層材料。

在TiN的基礎(chǔ)上，用Al部分替換Ti而制備的TiAlN材料是市場(chǎng)上普遍應(yīng)用的涂層材料之一。Al原子替代了面心立方晶格中部分Ti原子，使晶格發(fā)生畸變，這種固溶強(qiáng)化使（Ti，Al）N相變形難度增大，提高了涂層硬度。另外，Al元素的添加可以使涂層表面在高溫環(huán)境中形成連續(xù)的Al2O3氧化膜，從而阻礙氧向涂層內(nèi)部的擴(kuò)散，提高了涂層的抗氧化性[62]，使TiAlN涂層的最高使用溫度提高到800 ℃。但Al元素的添加應(yīng)適當(dāng)，當(dāng)Al替換超過(guò)65%的Ti時(shí)（Ti，Al）N不再保持單相B1結(jié)構(gòu)，涂層中將析出纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN化合物，導(dǎo)致涂層硬度下降[63]。

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)再向TiAlN涂層材料中添加合金元素能進(jìn)一步提高涂層的性能。Xu等[64]制備了TiAlN和TiAlCrN涂層并進(jìn)行了熱處理，發(fā)現(xiàn)TiAlCrN涂層的硬度約為38.7 GPa，高于TiAlN的34.1 GPa，Cr的添加還阻礙了多孔的TiO2的形成，增強(qiáng)了涂層的抗氧化性。Zhou等[65]采用磁控濺射方法在不銹鋼基體上沉積了TiAlCrN涂層，在900 ℃的環(huán)境溫度下氧化3 h后涂層的硬度仍可達(dá)到20 GPa。同時(shí)，其摩擦因數(shù)未發(fā)生改變（見(jiàn)圖7）；高溫氧化后涂層中發(fā)生了CrN向Cr2N的轉(zhuǎn)變，表明N元素含量有所減少，而涂層表面氧化物僅為Cr2O3，這種氧化膜提供了良好的抗氧化性和耐磨性。

圖7 TiAlCrN涂層的高溫摩擦因數(shù)

在TiAlN涂層中Si的添加可以增加涂層的硬度[66]，這種現(xiàn)象源自于Al和Si原子在TiN基體中的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，以及在晶界處形成的Si3N4非晶相引起的晶粒細(xì)化作用[67]。Si還能提高TiAlSiN涂層的高溫抗氧化性能，Zhang等[68]將TiAlSiN涂層沉積于Ti?50Al、Ti?45Al?2Nb?2Mn及Ti?48Al?2Cr?2Nb等合金上，經(jīng)過(guò)900 ℃條件下1 000次循環(huán)氧化，除了Ti?50Al合金由于基體抗氧化性不足導(dǎo)致涂層脫落以外，其余基體的涂層表面均形成了連續(xù)的Al2O3膜，在Al2O3之下，由于氧的擴(kuò)散形成了銳鈦礦型TiO2，SiO2則在銳鈦礦型TiO2周邊析出，這可能抑制了銳鈦礦型TiO2的生長(zhǎng)及向穩(wěn)定且疏松的金紅石型TiO2的轉(zhuǎn)變，減緩了氧化膜剝落的進(jìn)程。而Si在向基體內(nèi)擴(kuò)散的過(guò)程中與Ti形成穩(wěn)定的Ti5Si3相，阻礙N向基體及Cr、Nb、Mn向涂層擴(kuò)散，進(jìn)一步提高了涂層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在TiAlN涂層中適當(dāng)添加B可以使涂層形成以（Ti，Al）N相為主，晶間存在非晶BN相和少量TiB2相的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整涂層中N元素含量，可以使較軟的非晶BN相的含量減少[69]，將涂層硬度提高至40 GPa以上[70]。而在TiBN材料的基礎(chǔ)上添加原子分?jǐn)?shù)5%～11%的Al元素而形成的TiAlBN涂層則因六方BN相的析出而具有更低的摩擦因數(shù)[71]，且摩損率顯著低于TiBN涂層[72]（見(jiàn)圖8）。

圖8 TiBN涂層與TiAlBN涂層在1 000 m盤(pán)銷(xiāo)磨損試驗(yàn)后的磨損率和形貌對(duì)比

3.6 類(lèi)金剛石涂層

類(lèi)金剛石涂層（Diamod-like Carbon，DLC）是一種新型非晶碳材料涂層。其中，碳原子之間主要由金剛石相的sp3鍵和石墨相的sp2鍵相連接，其兼具金剛石的高硬度和耐磨性，以及石墨的低摩擦因數(shù)和導(dǎo)電性等性能特征，并且這些特性可以通過(guò)改變sp3鍵和sp2鍵的含量進(jìn)行調(diào)控[73]。DLC涂層的制備多采用磁控濺射和CVD等方法，但由于涂層與基體物性差異過(guò)大，導(dǎo)致涂層結(jié)合強(qiáng)度較低，同時(shí)在涂層生長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)歷了急速冷卻，導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力較大，這也導(dǎo)致了DLC涂層的性能難以發(fā)揮。因此，在DLC涂層應(yīng)用過(guò)程中，人們采用多種方法來(lái)降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，常用的方法包括沉積過(guò)渡層、退火和摻雜金屬、非金屬元素等[74]。在緩解內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題之后，DLC涂層可以與基體較好地結(jié)合，盡管涂層的硬度較高，但其卻在摩擦過(guò)程中有明顯的磨損，并在配副表面形成轉(zhuǎn)移層，轉(zhuǎn)移層中的碳為石墨結(jié)構(gòu)，起到了潤(rùn)滑作用。因此，DLC涂層可用于活塞、氣門(mén)、凸輪及凸輪軸等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的減摩，配合相應(yīng)的潤(rùn)滑劑，可以大大延長(zhǎng)零件的使用壽命。不同涂層在不同環(huán)境中的摩擦因數(shù)和磨損率見(jiàn)表1[75]。

表1 DLC涂層在不同環(huán)境中的摩擦因數(shù)和磨損率[75]

Tab.1 Coefficient of friction and wear rate of DLC coatings under different conditions[75]

注：磨損率單位為10–6mm3/（N·m）

Komori等[76]在鋼基體上沉積了含氫DLC涂層，在包含二烷基二硫代磷酸鋅和二硫代氨基甲酸鉬等添加劑的發(fā)動(dòng)機(jī)油潤(rùn)滑條件下，研究了涂層與鋼球的摩擦行為。測(cè)試結(jié)果表明，涂層與鋼球間的摩擦因數(shù)為0.04～0.1，涂層表面沒(méi)有明顯的磨損痕跡。分析可知，當(dāng)DLC涂層硬度較高且表面粗糙度較大時(shí)，摩擦膜中MoS2/MoO3的比例較高，可以降低摩擦因數(shù)。Zhou等[77]在不銹鋼和硬質(zhì)合金表面沉積了DLC涂層，劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基體材料的高硬度及TiAlN過(guò)渡層的存在，有助于提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)最多50萬(wàn)圈的盤(pán)銷(xiāo)磨損實(shí)驗(yàn)，測(cè)得所有樣品的摩擦因數(shù)均在0.1左右，但過(guò)渡涂層的存在和基體硬度高有助于改善樣品的早期階段磨損行為。在摩擦過(guò)程中涂層內(nèi)應(yīng)力較大時(shí)，將促進(jìn)sp3結(jié)構(gòu)向sp2結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而降低摩擦因數(shù)。Su等[78]在高速鋼基體上制備了摻雜Mo的DLC涂層，在柴油中進(jìn)行了盤(pán)銷(xiāo)摩擦實(shí)驗(yàn)，3萬(wàn)圈之后涂層的摩擦因數(shù)約為0.099，磨損量明顯小于常規(guī)DLC涂層。引起上述結(jié)果的原因是Mo摻雜引起涂層內(nèi)應(yīng)力降低，以及sp2結(jié)構(gòu)較多，而且Mo有可能與柴油中的硫反應(yīng)，形成MoS2而進(jìn)一步減摩。Sukanta等[79]制備的摻雜Ti的含氫DLC涂層中sp2鍵含量較高，其在200 ℃的環(huán)境下可以保持完整并體現(xiàn)較低的摩擦因數(shù)。Bhowmick等[80]則發(fā)現(xiàn)W摻雜的DLC涂層可以在100～500 ℃的環(huán)境下保持較低的摩擦因數(shù)，這種現(xiàn)象源自于高溫條件下單斜WO3的形成和轉(zhuǎn)移。由于DLC涂層的優(yōu)異性能，其已經(jīng)開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用。例如，Koszela等[81]通過(guò)沉積DLC涂層和氣缸表面紋理設(shè)計(jì)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出功率；Vanhulsel等[82]在空間應(yīng)用的滾珠軸承中應(yīng)用DLC涂層，使軸承壽命提高，進(jìn)而允許軸承在使用前開(kāi)展地面測(cè)試；Fábio等[83]對(duì)比了沉積CrN和DLC涂層的活塞環(huán)的摩擦性能，結(jié)果表明，DLC涂層摩擦因數(shù)更低、磨損更小；Lawes等[84]研究發(fā)現(xiàn)，氣門(mén)挺柱表面沉積DLC涂層后更耐磨損，但添加潤(rùn)滑劑阻止了轉(zhuǎn)移層的形成，反而降低了涂層在沖擊條件下的壽命。

對(duì)比TiN涂層和DLC涂層可知，二者都具有硬度高、耐磨性強(qiáng)的特點(diǎn)，配合相應(yīng)的潤(rùn)滑劑，甚至自潤(rùn)滑就可以實(shí)現(xiàn)較低的磨損率，但TiN類(lèi)涂層的服役溫度更高，且在高溫條件下耐久性和抗沖擊性能強(qiáng)于DLC涂層。因此，其在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等TiAl合金的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出了更好的適應(yīng)性，DLC涂層的主要發(fā)展方向除了盡可能降低涂層內(nèi)應(yīng)力之外，更應(yīng)著重提高其高溫力學(xué)性能。

4 總結(jié)與展望

TiAl合金作為能夠在高溫環(huán)境中服役的材料，通過(guò)沉積涂層緩解其氧化和磨損過(guò)程是提高材料及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)使用壽命和性能表現(xiàn)的重要手段，這對(duì)于TiAl合金在航空、航天和汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用，以及相關(guān)行業(yè)的綠色發(fā)展有著重大的實(shí)用意義。隨著工程需求的不斷提高，以及理論研究的不斷深入，涂層材料的成分、涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涂層制備的工藝越來(lái)越復(fù)雜，涂層需要實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越多，由此在涂層領(lǐng)域仍需要投入大量精力去解決的以下問(wèn)題。

1）涂層制備工藝的低成本化?，F(xiàn)階段，無(wú)論是熱噴涂?激光熔敷、PVD、擴(kuò)散滲（包埋滲），還是微弧氧化，這些方法在滿(mǎn)足了一種或多種涂層的制備需求的同時(shí)，還都面臨著工藝參數(shù)復(fù)雜、環(huán)境氣氛要求高、大規(guī)模生產(chǎn)困難等技術(shù)問(wèn)題，這無(wú)疑提高了應(yīng)用這些涂層制備技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本。除此之外，高能耗、粉塵、電解液排放帶來(lái)的環(huán)境成本上升也不容忽視。為此，不斷優(yōu)化制備工藝，降低能源需求，減少污染物排放將是涂層制備工藝的主要發(fā)展方向。這不僅能滿(mǎn)足涂層制備低成本化的需求，也為踐行綠色發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)綠色現(xiàn)代化助力。

2）涂層性能的進(jìn)一步提升。對(duì)比分析已有的涂層體系可知，若將TiAl合金應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，即對(duì)合金的抗氧化能力有較高要求時(shí)，TiAl?X涂層將表現(xiàn)出更好的綜合服役性能；若將TiAl合金制成活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)用部件，由于服役過(guò)程中部件需同時(shí)承受較高溫度和機(jī)械摩擦等2種作用，TiAlN系涂層的適用性更強(qiáng)。盡管上述涂層材料基本滿(mǎn)足需求，但人們?nèi)宰巫尾痪?，期望開(kāi)發(fā)能在更惡劣環(huán)境下工作的涂層材料，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。因此，通過(guò)成分和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提升現(xiàn)有涂層材料的抗氧化性、耐熱沖擊性、耐磨性和耐蝕性等性能仍是未來(lái)涂層材料發(fā)展的重點(diǎn)。除此之外，更應(yīng)重視新材料體系的開(kāi)發(fā)工作，如高熵合金元素種類(lèi)較多，元素含量變化范圍廣，具有廣闊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。

3）計(jì)算機(jī)技術(shù)在涂層領(lǐng)域的應(yīng)用。最近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)算力的顯著提高，采用有限元分析、相場(chǎng)方法、分子動(dòng)力學(xué)、第一性原理等一系列模擬手段，對(duì)制備和服役過(guò)程中涂層的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、組織、相結(jié)構(gòu)等內(nèi)容進(jìn)行模擬計(jì)算和可視化分析已經(jīng)可以快速實(shí)現(xiàn)。以實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，指導(dǎo)涂層成分、結(jié)構(gòu)與制備工藝的設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為提高涂層性能的常規(guī)手段。但影響涂層性能的因素眾多，常規(guī)計(jì)算方法難以準(zhǔn)確描述涂層的制備工藝、成分與性能之間的關(guān)系。因此，可以在今后的工作中嘗試通過(guò)深度學(xué)習(xí)等新手段，以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立不同工藝參數(shù)、不同涂層材料與涂層服役性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)特定條件下的涂層性能，助力涂層結(jié)構(gòu)與性能的持續(xù)優(yōu)化。

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Development Status and Prospect of Coatings for TiAl-based Intermetallics

XUE Peng, LI Xiao-bing,CHEN Bo,QIAN Kun,ZHANG Meng-shu,SHU Lei,LIU Kui

(Ji Hua Laboratory, Guangdong Foshan 528251, China)

With excellent high-temperature mechanical property, TiAl alloys are expected to replace Ni-based superalloys owing to the lightweight feature in the industry application. However, unsatisfactory oxidation and wear resistance result in limited high-temperature life of TiAl alloys, which is unfavorable for industrial application. Preparing coatings on TiAl alloys could enhance the durability of the alloy in different service environments and thus improve its range of application, because the mechanical and surface properties of substrate and coating are kept after deposition. This work describes the desired characteristics and then the usual preparation method of coatings used for TiAl alloy as well as the classification of coatings, summrizes the research status of different coating systems and prospeets the development trend of preparation technology and coating properties.

TiAl alloys; coatings; oxidation resistance; wear resistance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.11.012

TG178

A

1674-6457(2022)11-0119-14

2022-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（51971215）；季華實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目（X210291TL210）

薛鵬（1987—），男，博士，主要研究方向?yàn)門(mén)iAl合金及涂層的結(jié)構(gòu)調(diào)控。

陳波（1976—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)槟透邷亟Y(jié)構(gòu)材料及制備技術(shù)。