Cr1-xAlxN涂层在TZM合金上的高温蒸汽氧化性能与微观结构演化：面向核事故容错燃料的突破性防护研究

本文系统研究了多弧离子镀制备的Cr1-xAlxN涂层（x=0-0.75）在1200℃蒸汽环境中的氧化行为，发现Cr47Al53N通过形成Cr2O3/Al2O3双层氧化膜为TZM合金提供最优防护，揭示了Al含量对氮扩散行为和相变（fcc→hcp）的关键调控作用，为核用钼合金表面改性提供了新策略。

　　

Highlight

Cr_1-xAl_xN涂层的氧化抗性显著受铝含量调控。在1200℃蒸汽氧化后，四种不同Al/Cr比例的涂层微观结构发生显著变化。图14展示了Cr₂₅Al₇₅N、Cr₄₇Al₅₃N、Cr₆₆Al₃₄N和CrN涂层的演化过程。

Discussion

由于涂层热力学不稳定性，Cr_1-xAl_xN涂层氧化时必须考虑其分解过程。当温度超过800℃时，面心立方(fcc)-CrAlN会转变为六方(hcp)-Cr₂N并释放氮气，而AlN则保持稳定。这种相变差异导致不同Al含量涂层形成截然不同的氧化层结构：

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  高Al组（Cr₂₅Al₇₅N）优先形成多孔Al₂O₃，但过量hcp相导致力学性能劣化

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  最佳组（Cr₄₇Al₅₃N）产生致密的Cr₂O₃外层与连续Al₂O₃亚层"三明治"结构

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  低Al组因氮气释放形成微通道，加速基底氧化

Conclusion

通过阴极电弧离子镀在TZM合金上制备了四种Cr_1-xAl_xN涂层，主要发现包括：

1. 1.

   Cr₄₇Al₅₃N兼具高硬度（28.6 GPa）和最优氧化抗性，归因于其独特的双相(fcc+hcp)纳米复合结构

2. 2.

   Al含量>53%时hcp-AlN相增多，虽提升抗氧化性但降低涂层韧性

3. 3.

   氧化过程中氮扩散形成的微孔是涂层失效的关键因素