MAX相涂層可控制備與鋯合金氧化防護獲進展
MAX相是一類分子式為Mn+1AXn的具有密排六方結(jié)構(gòu)的層狀高性能陶瓷材料。其中，M代表前過渡金屬，典型如Cr、Ti、V等；A代表IIIA或IV主族元素，如Al、Si等；X代表C或N。自上世紀(jì)90年代美國德雷塞爾大學(xué)M.W. Barsoum教授為該類材料命名以來，已有70余種MAX相材料被相繼發(fā)現(xiàn)。MAX相材料兼具金屬和陶瓷的諸多優(yōu)異特性，如高溫抗氧化、高導(dǎo)電導(dǎo)熱、優(yōu)異抗輻照等，應(yīng)用前景廣闊，特別是嚴(yán)苛蒸氣環(huán)境下的金屬表面防護理想的涂層材料之一。
近期，中科院寧波材料所先進碳基薄膜技術(shù)團隊聚焦于211系A(chǔ)l基MAX相涂層材料體系，在涂層可控制備、氧化機理、鋯合金防護技術(shù)方面取得新進展。
針對傳統(tǒng)物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）一步法制備MAX相涂層過程中遇到的沉積溫度高使基體應(yīng)用受限、涂層成相區(qū)間窄/結(jié)晶性差、大面積均勻難制備的技術(shù)挑戰(zhàn)，團隊提出了先進行低溫PVD沉積，再進行復(fù)合固相反應(yīng)的兩步法合成MAX相涂層的思路。利用低溫磁控濺射復(fù)合靶，通入碳氫氣體或氮氣反應(yīng)沉積，在300℃沉積溫度以下，改變退火溫度和時間，實現(xiàn)對界面擴散與中間生成競爭相的控制，最終制備出了純度達90wt.%的211系Ti2AlC涂層（授權(quán)發(fā)明專利，201410168406.0；J. Mater. Sci. Technol., 31（2015）1193；Surf. Coat. Technol. 272（2015） 380）。
該兩步法極大拓寬了MAX相涂層成相窗口，相繼實現(xiàn)了Ti2AlC、Cr2AlC、V2AlC、Ti2AlN等系列211系MAX相涂層在316L不銹鋼、鈦合金、鋯合金等多種基體表面的大面積、均勻、高純度制備（發(fā)明專利，201810077319.2；J. Alloy. Compd., 661（2016） 476, 753（2018）11）。
為克服磁控濺射制備的MAX相涂層因厚度薄、柱狀晶結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致其在高溫水蒸氣氧化過程中涂層內(nèi)氧化嚴(yán)重、防護性能不足問題，團隊進一步發(fā)展了高離化電弧復(fù)合磁控濺射PVD技術(shù)制備MAX（A=Al）相涂層的新方法。
其中，電弧源提供M元素，磁控源提供Al元素，有效抑制了復(fù)合靶材中低熔點Al易引起的涂層大顆粒與孔洞缺陷多的制備瓶頸。結(jié)合低溫固相反應(yīng)，獲得了結(jié)構(gòu)致密、無柱狀晶晶界、與鋯合金結(jié)合強度高的Ti2AlN涂層，為探索其高溫腐蝕嚴(yán)苛環(huán)境使役性能提供了基礎(chǔ)（發(fā)明專利，201610561971.2，201910248442.0；Appl. Surf. Sci. 396 （2017） 1435）。
近期，團隊研究了Ti2AlC MAX相涂層在高溫蒸氣環(huán)境下對鋯合金基體的防護性能影響。發(fā)現(xiàn)，MAX相涂層（厚度～13.5μm）在1000-1200℃氧化腐蝕的過程中，形成了特殊三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化層（外層→內(nèi)層，r-TiO2→r-TiO2+α-Al2O3→α-Al2O3），這有效抑制了腐蝕離子的內(nèi)擴散，使涂層在1100℃和1200℃氧化10min后，仍呈現(xiàn)出優(yōu)異腐蝕防護特性（在相同條件下，未經(jīng)該涂層涂敷的鋯合金基體，其氧化損傷嚴(yán)重，腐蝕厚度深達26.5μm～81.1μm）。結(jié)合微結(jié)構(gòu)演變與動力學(xué)分析，Ti2AlC MAX涂層中高活度Al的內(nèi)外快速擴散被認(rèn)為是導(dǎo)致其最終“坍塌性”氧化失效的主要因素。相關(guān)工作連續(xù)發(fā)表a在Ceram. Int. 45（2019）9260和Ceram. Int. 11（2019） 13912。
以上研究工作得到國家重大專項（2015ZX06004-001）、國家自然科學(xué)基金（51875555）、中國博士后基金（2018M632513）、浙江省自然科學(xué)基金（LQ19E010002）和寧波工研院優(yōu)秀博士后基金等的支持。
圖1 （a） 電弧復(fù)合磁控濺射技術(shù)制備的Cr2AlC MAX相涂層截面形貌圖，（b-c）TEM與電子衍射圖
圖2 經(jīng)1200℃氧化5min后截面形貌；（a）/（c）Ti2AlC涂層及EDS圖，（b）/（d）鋯合金基體/EDS圖
圖3 鋯合金表面Ti2AlC MAX涂層在水蒸氣中的氧化機理示意圖
圖4 在30cm長鋯管表面均勻制備的系列MAX相涂層
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