M2AlC (M=Al, Ti)MAX 相薄膜的探索性制备及相关性能研究
编号:322
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更新:2026-04-18 18:48:12
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摘要
本研究采用磁控溅射技术,在低温条件下共溅射 Cr–Al 合金靶与石墨靶,成功制备了 Cr2AlC MAX 相薄膜,并系统考察了沉积温度(100–400 °C)对 MAX 相形成行为、薄膜微观结构、耐腐蚀性能及摩擦学性能的影响。结果表明,Cr2AlC MAX 相在 300 °C 开始形成,并在 350 °C 时表现出更优的结晶质量。与此同时,该温度下制备的薄膜具有更高的 sp3 杂化碳(sp3-C)含量和 Al 含量,组织结构更为致密,表面粗糙度更低,并表现出较低的残余应力(0.12 GPa)和较高的膜基附着力(35.5 N)。这些结构与力学特征的协同优化显著提升了涂层的抗介质渗透能力及界面稳定性,从而对其腐蚀行为产生决定性影响。进一步研究表明,Cr2AlC MAX 相的引入可显著改善涂层在不同环境中的摩擦学性能:在空气环境中,其典型层状结构赋予薄膜优异的自润滑能力,从而有效抑制磨粒磨损;在 3.5 wt% NaCl 溶液中,MAX 相在摩擦-氧化耦合作用下生成具有良好屏障效应的 Al2O3 和 Cr2O3,进而构建动态演化的“摩擦活性层”,有效削弱 Cl- 对膜层的侵蚀并提高耐磨性能;在 1 mol/L H2SO4 溶液中,含 Cr2AlC MAX 相薄膜的腐蚀电流密度降低至 9.42 × 10-9 A·cm-2,较不锈钢基体的 5.83 × 10-8 A·cm-2 下降约一个数量级,显示出显著增强的耐腐蚀能力。总体而言,适宜沉积温度下形成的 Cr2AlC MAX 相通过调控薄膜的相组成、致密性及界面力学稳定性,实现了耐腐蚀性能与摩擦学性能的同步提升。
通过磁控溅射法在不同沉积温度下制备了含 Ti 和 Al 元素的类石墨碳薄膜,并以 ZrO2 球为对偶材料,系统研究了其在不同服役环境中的结构演化、耐腐蚀行为及摩擦学性能。结果表明,随着沉积温度升高,薄膜中 sp3-C 含量呈现先升高后降低的变化规律;同时,Ti 和 Al 相关相结构由低温条件下的 TiC 纳米晶逐渐向 Ti3AlC 相转变,并在 350 °C 时完全形成具有反钙钛矿结构特征的 Ti3AlC 相。与含 TiC 相的薄膜相比,含 Ti3AlC 相的薄膜表现出更优异的耐腐蚀性能。这一方面归因于 Ti3AlC 相本身更高的化学稳定性,另一方面则在于 TiC 纳米晶的存在会降低 Cl⁻ 在腐蚀介质中的迁移势垒和穿透能垒,促进腐蚀介质沿缺陷或界面向膜/基体界面渗透,从而加速腐蚀失效过程。尤其值得注意的是,350 °C 制备的薄膜同时具备较高的 sp3-C 含量、更强的表面疏水性、更高的膜基结合强度、更低的残余内应力以及更低的孔隙率,上述因素的协同作用使其获得最佳耐腐蚀性能。摩擦学测试结果进一步表明,与空气环境相比,所有薄膜在 3.5 wt% NaCl 溶液中的摩擦学表现均更为优异,这主要归因于液体介质提供的水润滑效应降低了界面剪切阻力并缓和了摩擦损伤。值得指出的是,300 °C 制备的薄膜由于 TiC 与 Ti₃AlC 两相之间的协同作用,表现出最优的综合摩擦学性能,说明适度的多相复合结构有利于在承载能力与界面剪切调控之间实现更优平衡。
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