MAX相涂层可控制备与锆合金氧化防护获进展

来源：材料科学与工程

MAX相是一类分子式为Mn+1AXn的具有密排六方结构的层状高性能陶瓷材料。其中，M代表前过渡金属，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。自上世纪90年代美国德雷塞尔大学M.W. Barsoum教授为该类材料命名以来，已有70余种MAX相材料被相继发现。MAX相材料兼具金属和陶瓷的诸多优异特性，如高温抗氧化、高导电导热、优异抗辐照等，应用前景广阔，特别是严苛蒸气环境下的金属表面防护理想的涂层材料之一。

近期，中科院宁波材料所先进碳基薄膜技术团队聚焦于211系Al基MAX相涂层材料体系，在涂层可控制备、氧化机理、锆合金防护技术方面取得新进展。

针对传统物理气相沉积（physical vapor deposition，PVD）一步法制备MAX相涂层过程中遇到的沉积温度高使基体应用受限、涂层成相区间窄/结晶性差、大面积均匀难制备的技术挑战，团队提出了先进行低温PVD沉积，再进行复合固相反应的两步法合成MAX相涂层的思路。利用低温磁控溅射复合靶，通入碳氢气体或氮气反应沉积，在300℃沉积温度以下，改变退火温度和时间，实现对界面扩散与中间生成竞争相的控制，最终制备出了纯度达90wt.%的211系Ti2AlC涂层（授权发明专利，201410168406.0；J. Mater. Sci. Technol., 31(2015)1193；Surf. Coat. Technol. 272(2015) 380）。

该两步法极大拓宽了MAX相涂层成相窗口，相继实现了Ti2AlC、Cr2AlC、V2AlC、Ti2AlN等系列211系MAX相涂层在316L不锈钢、钛合金、锆合金等多种基体表面的大面积、均匀、高纯度制备（发明专利，201810077319.2；J. Alloy. Compd., 661(2016) 476, 753(2018)11）。

为克服磁控溅射制备的MAX相涂层因厚度薄、柱状晶结构易导致其在高温水蒸气氧化过程中涂层内氧化严重、防护性能不足问题，团队进一步发展了高离化电弧复合磁控溅射PVD技术制备MAX（A=Al）相涂层的新方法。

其中，电弧源提供M元素，磁控源提供Al元素，有效抑制了复合靶材中低熔点Al易引起的涂层大颗粒与孔洞缺陷多的制备瓶颈。结合低温固相反应，获得了结构致密、无柱状晶晶界、与锆合金结合强度高的Ti2AlN涂层，为探索其高温腐蚀严苛环境使役性能提供了基础（发明专利，201610561971.2，201910248442.0；Appl. Surf. Sci. 396 (2017) 1435）。

近期，团队研究了Ti2AlC MAX相涂层在高温蒸气环境下对锆合金基体的防护性能影响。发现，MAX相涂层（厚度～13.5μm）在1000-1200℃氧化腐蚀的过程中，形成了特殊三层结构的复合氧化层（外层→内层，r-TiO2→r-TiO2+α-Al2O3→α-Al2O3），这有效抑制了腐蚀离子的内扩散，使涂层在1100℃和1200℃氧化10min后，仍呈现出优异腐蚀防护特性（在相同条件下，未经该涂层涂敷的锆合金基体，其氧化损伤严重，腐蚀厚度深达26.5μm～81.1μm）。结合微结构演变与动力学分析，Ti2AlC MAX涂层中高活度Al的内外快速扩散被认为是导致其最终“坍塌性”氧化失效的主要因素。相关工作连续发表在Ceram. Int. 45(2019)9260和Ceram. Int. 11(2019) 13912。

以上研究工作得到国家重大专项（2015ZX06004-001）、国家自然科学基金（51875555）、中国博士后基金（2018M632513）、浙江省自然科学基金（LQ19E010002）和宁波工研院优秀博士后基金等的支持。

图1 (a) 电弧复合磁控溅射技术制备的Cr2AlC MAX相涂层截面形貌图，(b-c)TEM与电子衍射图

图2 经1200℃氧化5min后截面形貌；(a)/(c)Ti2AlC涂层及EDS图，(b)/(d)锆合金基体/EDS图

图3 锆合金表面Ti2AlC MAX涂层在水蒸气中的氧化机理示意图

图4 在30cm长锆管表面均匀制备的系列MAX相涂层