前言

鈦合金因其高比強(qiáng)度、低密度等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天及海洋等領(lǐng)域 [1-3]。但同時(shí)鈦合金的氧溶解度很高，高溫條件下極易發(fā)生表面氧化，并且隨著氧的擴(kuò)散，會(huì)產(chǎn)生溶氧致脆問(wèn)題，致使合金力學(xué)性能下降 [4]。當(dāng)環(huán)境中存在水蒸氣和 NaCl 鹽等腐蝕介質(zhì)時(shí)，腐蝕速率會(huì)顯著增加，這是因?yàn)?NaCl 和水蒸氣會(huì)與鈦合金中的鈦氧化物發(fā)生反應(yīng)，使致密氧化膜轉(zhuǎn)變成無(wú)保護(hù)性且富含擴(kuò)散通道的Na₄Ti₅O₁₂等 [5-7]。鈦合金抗高溫腐蝕性差的問(wèn)題已成為制約其作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪葉片等在海洋環(huán)境中使用的關(guān)鍵因素 [5,8]。合金化處理和施加防護(hù)涂層都可以提高鈦合金抗高溫腐蝕性。其中合金化是通過(guò)添加合金元素形成固溶體改變材料微觀組織，進(jìn)而改善性能。但元素的添加量影響著合金性能，當(dāng)添加量較少時(shí)，對(duì)抗高溫腐蝕、抗氧化性提升效果不明顯，添加量過(guò)多又會(huì)使合金力學(xué)性能下降，因此該方法具有一定局限性。通過(guò)表面改性在鈦合金表面引入防護(hù)涂層提升表面性能的同時(shí)幾乎不影響基體性能，是最佳選擇。

1、抗高溫腐蝕涂層的分類及其防護(hù)機(jī)制

目前鈦合金常用的抗高溫腐蝕涂層按性質(zhì)可分為金屬涂層（單一金屬涂層、二元合金涂層、三元合金涂層及多元合金涂層等）、非金屬涂層（氮化物涂層、氧化物涂層、搪瓷涂層及磷酸鹽涂層等）及金屬 / 非金屬?gòu)?fù)合涂層等。它們通過(guò)抑制腐蝕介質(zhì)的向內(nèi)擴(kuò)散，起到保護(hù)鈦合金基體的作用，可通過(guò)多種方法制備，如圖 1 所示。

1.1 金屬涂層

金屬涂層具有良好的韌性和抗氧化性特點(diǎn)，主要包括單一金屬涂層、二元合金涂層、三元合金涂層及多元合金涂層等。

1.1.1 單一金屬涂層

鉻（Chromium, Cr）等元素是重要的抗高溫氧化元素，在鈦合金上制備涂層可生成Cr₂O₃氧化膜起到高溫防護(hù)作用。根據(jù)李建普等 [9] 的研究，沉積 Cr 涂層的樣品在經(jīng)短時(shí)氧化后表面被Cr₂O₃氧化膜覆蓋，可對(duì)基體提供保護(hù)。但在長(zhǎng)期腐蝕環(huán)境下，氧等腐蝕介質(zhì)會(huì)逐漸通過(guò)晶界擴(kuò)散導(dǎo)致單一金屬涂層開(kāi)裂、剝落和失效 [10]。因此其應(yīng)用受到了很大限制。

1.1.2 二元合金涂層

針對(duì)單一金屬涂層存在的問(wèn)題，部分學(xué)者提出使用 2 種元素協(xié)同增強(qiáng)涂層的保護(hù)作用。Burkov 等 [11] 在 TC4 基體上沉積了 5 種不同 Al 含量的 TiAl 涂層，并在 900℃空氣中對(duì)其進(jìn)行了 100h 的氧化測(cè)試，結(jié)果表明，Al 含量為 68% 的涂層可以將基體抗氧化性提高 3.4 倍。Liu 等 [12] 在 TA2 鈦合金表面沉積了 Ti-Ni 梯度涂層，涂層的相組成主要為 NiTi、NiTi₂和Ni₃Ti，在 800℃高溫中經(jīng) 100h 氧化測(cè)試后，無(wú)涂層樣品表面形成非致密的TiO₂層，空隙的存在使氧原子更容易滲入加速氧化，而涂層樣品則表現(xiàn)出了較好的抗氧化性。為進(jìn)一步探究二元合金涂層高溫海洋環(huán)境下的性能，Zhang 等 [13] 研究了 TiAl 涂層和 NiAl 涂層在 700℃的 NaCl 和水蒸氣中的腐蝕性能，結(jié)果表明，兩種涂層分別由TiAl₃相和Ni₂Al₃、NiAl₃相組成，腐蝕后質(zhì)量增加較裸材分別降低了 26.1% 和 92.0%；TiAl 涂層在鹽和水蒸氣協(xié)同作用下提供的保護(hù)作用較小，而 NiAl 涂層由于表面的Ni2Al3阻擋層和致密Al₂O₃氧化層，耐腐蝕性提高顯著。

1.1.3 三元合金涂層

Si 等元素可以增加 Al 原子的擴(kuò)散速率，常被添加至二元合金涂層中促進(jìn)表面形成更多的Al₂O₃相。劉洪喜等 [14] 等采用激光熔覆技術(shù)在 TC4 鈦合金表面分別制備了 Ti、Al、Si 比為 41∶41∶18 和 35∶35∶30 的 2 種涂層，并在 800℃對(duì)其進(jìn)行氧化測(cè)試，涂層的氧化增重較裸材分別降低了 90% 和 92%。這歸因于涂層表面生成的致密TiO₂、Al₂O₃和SiO₂氧化膜阻礙了氧的擴(kuò)散。Li 等 [15] 對(duì)比了有無(wú) TiAlSi 涂層的 Ti65 合金在 800℃下恒溫氧化 240h 后的質(zhì)量變化，結(jié)果顯示，裸材氧化增重為80.24mg/cm2，有涂層的試樣氧化增重為3.30mg/cm2，是裸材增重的 1/24。在 TC4 鈦合金上制備了不同 Nb 和 Si 含量的 TiAl-xNb 涂層、x 涂層和 xy 涂層，用Na2SO4和 NaCl 的混合物作為熱腐蝕介質(zhì)，對(duì)各涂層在 800℃下進(jìn)行了 300h 的腐蝕測(cè)試，如圖 2 是腐蝕后各涂層的厚度損失圖。可見(jiàn)，隨著 Nb、Si 元素添加量的增加，涂層厚度損失量減小，其中 Si 元素的影響更為顯著。上述結(jié)果與圖 3 所示的 TiAl-xNbySi 涂層的熱腐蝕機(jī)理有關(guān)，Nb 的添加促進(jìn)了涂層中TiAl3相的形成，在腐蝕早期使得涂層表面形成了連續(xù)致密的Al₂O₃層，可有效阻擋腐蝕介質(zhì)，并且該層下方還形成了由Al₂O₃、TiO₂、SiO₂和Nb2O5組成的氧化膜，隨著腐蝕不斷進(jìn)行，這些氧化物與腐蝕介質(zhì)反應(yīng)生成Na2O-Al₂O₃-TiO₂-SiO₂復(fù)合物浮上表面，阻止腐蝕介質(zhì)與氧化膜直接接觸，進(jìn)一步減緩了腐蝕速率，顯著提高了涂層樣品的耐熱腐蝕性。

1.1.4 多元合金涂層

多元合金涂層包括 MCrAlY 涂層和高熵合金涂層，其中 MCrAlY 涂層中 M 為 Ni、Co 或 NiCo，Cr 和 Al 元素會(huì)生成保護(hù)性的Al₂O₃和Cr₂O₃氧化膜，Y 元素的加入可以提高氧化膜的黏附性 [17,18]。彭小敏等 [19] 在 TC4 鈦合金表面沉積了 NiCrAlY 涂層，并研究了其高溫氧化行為，結(jié)果表明：經(jīng) 700℃或 800℃氧化 100h 后，裸材的氧化速率分別為18.25、52.83ug/(cm². h)，而涂層表面形成了由Al₂O₃和Cr₂O₃組成的氧化膜，氧化速率分別降低為8.92、34.63ug/(cm². h)。此外，MGrAIY 涂層還常被用作中間層。Gong 等 [20] 將其作為擴(kuò)散阻擋層在純鈦基底上沉積了 Al/ NiCrAlY 復(fù)合涂層，如圖 4 展示了不同涂層經(jīng) 800℃氧化 100 次循環(huán)（氧化 50min 空冷 20min 為 1 個(gè)循環(huán)）后的表面形貌。可見(jiàn)單一 Al 涂層表面有多條明顯可見(jiàn)裂紋且出現(xiàn)剝落，相比之下，雙相 Al/ NiCrAlY 涂層上的氧化皮仍然保持完整。

Xue 等 [21] 對(duì)比了電弧離子鍍沉積和電弧增強(qiáng)輝光放電輔助沉積的復(fù)合涂層在Na2SO4和 NaCl 混合物中的腐蝕情況，如圖 5 為其經(jīng) 650℃、1000h 腐蝕后的的 SEM 截面圖像和元素圖譜，電弧離子鍍涂層中出現(xiàn)大面積腐蝕產(chǎn)物和通道，進(jìn)而使 NiCoCrAlY 層發(fā)生擴(kuò)散，腐蝕嚴(yán)重，而電弧增強(qiáng)輝光放電輔助沉積的 AlSiY 層致密，僅出現(xiàn)了輕微腐蝕。

高熵合金因具有高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)而表現(xiàn)出良好的綜合性能 [22]。其中高熵效應(yīng)和遲滯擴(kuò)散效應(yīng)協(xié)同使得高熵合金具備出色的抗高溫氧化性和熱穩(wěn)定性。因此，高熵合金涂層在高溫應(yīng)用領(lǐng)域也得到了廣泛關(guān)注。Cui 等 [23] 在 TC4 鈦合金上電火花沉積了TiVCrNiSi0.1涂層，對(duì)其進(jìn)行 700℃氧化試驗(yàn)，結(jié)果表明，裸材經(jīng) 50h 氧化后出現(xiàn)了氧化層大面積剝落，而涂層樣品因 Si 的加入，裂紋發(fā)生了自愈合，并且在氧化層與基體之間形成的非晶相SiO₂有效阻止了基體元素的外擴(kuò)散和 O 的內(nèi)擴(kuò)散，使氧化速率降低了 15%。Li 等 [24] 在 TC4 合金表面制備了 CoCrFeNiTiNb 高熵合金涂層，并研究了Y₂O₃對(duì)其在 800℃下高溫抗氧化性和Na₂SO₄與 NaCl 混合鹽中耐熱腐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)Y₂O₃的添加使涂層氧化速率和熱腐蝕速率分別降低了 43% 和 58%，歸因于Y₂O₃增強(qiáng)了氧化物和腐蝕產(chǎn)物層的致密性和結(jié)合性能。

1.2 非金屬涂層

金屬涂層通過(guò)形成氧化膜阻擋腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散起到保護(hù)作用，但隨著涂層中的有益元素不斷消耗，金屬涂層的抗高溫腐蝕能力會(huì)逐漸下降，最終難以起到保護(hù)作用。非金屬涂層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有優(yōu)異的抗氧化性和高溫穩(wěn)定性等特征，不容易發(fā)生腐蝕退化。常用的非金屬涂層有氮化物涂層、氧化物涂層、搪瓷涂層及磷酸鹽涂層等。

1.2.1 氮化物涂層

Ti (Al) N 涂層是使用最廣泛的防護(hù)涂層之一。于玉城等 [25] 通過(guò)離子鍍?cè)?TC4 合金表面制備了 TiN 涂層，并對(duì)其進(jìn)行了 10h 為 1 個(gè)周期的循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，涂層樣品 700℃氧化 130h 后僅發(fā)生局部氧化，200h 后氧化面積雖稍有增大，此時(shí)氧化增重也僅為基材的 30%。梁愉等 [26] 研究了 TiAlN 涂層對(duì) TC4 鈦合金在 550℃干燥空氣下抗固態(tài) NaCl 的腐蝕性能影響，裸材經(jīng)熱腐蝕增重超過(guò)1.5mg/cm2，而涂層樣品后腐蝕增重僅有0.2mg/cm2。除此之外，CrN 涂層也具有較好的高溫穩(wěn)定性，常被用作鈦合金抗高溫腐蝕涂層。武姣姣 [27] 在鈦合金上制備了Cr2N和 CrN 涂層，研究了其在NaCl^-H2O-O2環(huán)境下 600℃腐蝕行為，結(jié)果顯示，腐蝕后Cr2N涂層表面被包含Cr₂O₃和TiO₂以及 CrN 的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，且出現(xiàn)嚴(yán)重剝落，CrN 涂層則局部輕微腐蝕，腐蝕產(chǎn)物中未檢測(cè)出基體元素 Ti，表現(xiàn)出良好的抗高溫腐蝕性能。

1.2.2 氧化物涂層

氧化物涂層已處于氧化態(tài)，穩(wěn)定的氧化層可有效阻礙腐蝕介質(zhì)向基體擴(kuò)散。趙昕睿等 [28] 為了提高 TC4 鈦合金的抗高溫氧化性，在其表面制備了以Al2TiO5和金紅石型TiO₂相為主的微弧氧化陶瓷涂層，經(jīng)循環(huán)氧化后，涂層樣品增重0.73mg/cm2，較裸材降低了 96%。Zhang 等 [29] 利用陰極等離子體電解沉積法制備了Al₂O₃涂層，涂層與基體結(jié)合力強(qiáng)，所提供的氧擴(kuò)散通道少，因此涂層樣品在 700℃下氧化 100h 時(shí)的氧化速率較裸材顯著降低。Xu 等 [30] 用同樣的方法在 Ti-5553 合金表面沉積的SiO₂涂層，經(jīng) 600℃氧化后，致密的SiO₂涂層作為擴(kuò)散屏障阻礙了基體元素的向外擴(kuò)散和腐蝕介質(zhì)的向內(nèi)擴(kuò)散，氧化增重較裸材最高可降低約 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.2.3 搪瓷涂層

搪瓷涂層是一種以SiO₂為主要成分的復(fù)合陶瓷涂層，具有致密的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，可抵抗大多數(shù)腐蝕性介質(zhì)，且制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，作為保護(hù)涂層顯示出了廣闊的應(yīng)用前景 [31]。Zheng 等 [32] 比較了涂覆 TiAlN 和搪瓷涂層的 TC4 合金在 450℃下 NaCl 和水蒸氣中的腐蝕行為，結(jié)果顯示，裸材由于發(fā)生腐蝕產(chǎn)物剝落而導(dǎo)致質(zhì)量損失，TiAlN 涂層出現(xiàn)少許質(zhì)量增重，而搪瓷涂層基本無(wú)質(zhì)量變化，因此盡管 2 種涂層都可降低合金的腐蝕速率，但搪瓷涂層優(yōu)于 TiAlN 涂層。Xiong 等 [33] 評(píng)估了搪瓷涂層對(duì) Ti60 合金在 700~800℃含 NaCl 蒸氣的潮濕空氣中的協(xié)同腐蝕行為，結(jié)果如圖 6，搪瓷涂層可以顯著降低 Ti60 合金的腐蝕質(zhì)量增加，且溫度升高基本不影響防護(hù)性能。Chen 等 [34] 在 TC4 合金上涂覆搪瓷涂層，研究了其 800℃下氧化行為，結(jié)果顯示 100h 后質(zhì)量增加僅為1.755mg/cm2。

1.2.4 磷酸鹽涂層

磷酸鹽涂層是一種耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好且無(wú)毒環(huán)保的綠色涂層，制備工藝簡(jiǎn)單，在各領(lǐng)域中得到了廣泛關(guān)注。Han 等 [35] 以非晶態(tài)AlPO₄為粘結(jié)劑，Al₂O₃/SiC基陶瓷顆粒為填料，成功地在 Ti65 合金表面制備了致密涂層，該涂層在 650℃表現(xiàn)出了良好的抗氧化性。趙菲等 [36] 在同種基體上制備了Al+AlPO₄和 Al+SiC+AlPO₄2 種磷酸鹽涂層，并進(jìn)行了 650℃的等溫氧化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，涂層樣品的氧化增重分別為裸材的 1/5 和 1/4。李建呈等 [37] 也做了類似工作，即以Al(H₂PO4)₃為成膜物，以SiO₂陶瓷相為填料，在 Ti65 合金表面制備了硅溶膠改性的磷酸鹽涂層，經(jīng) 650℃鹽水蒸氣環(huán)境腐蝕 100h 后，裸材發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，表面生成了疏松腐蝕產(chǎn)物，而磷酸鹽涂層依舊致密，特別是硅溶膠與Al(H₂PO₄)₃質(zhì)量比為 1:4 時(shí)表現(xiàn)出更好的耐高溫腐蝕性。

1.3 金屬 / 非金屬?gòu)?fù)合涂層

金屬 / 非金屬?gòu)?fù)合涂層表現(xiàn)出金屬和非金屬的綜合性能，如高硬度、良好的結(jié)合強(qiáng)度以及優(yōu)異的耐高溫和耐腐蝕性能，可作為提高鈦合金抗高溫腐蝕能力的有效候選涂層。Zhang 等 [38] 采用離子鍍技術(shù)在 TC4 鈦合金上沉積了 Ti/ TiAlN 復(fù)合多層涂層，并研究了其在 600℃下固體 NaCl、H2O和O2環(huán)境中的耐腐蝕性，結(jié)果顯示，腐蝕后裸材質(zhì)量增加在6.0mg/cm2以上，而厚度 0.15μmTi 的復(fù)合多層涂層直到腐蝕 200h 時(shí)的質(zhì)量增加依然保持在0.38mg/cm2，表現(xiàn)出了較優(yōu)異的抗高溫腐蝕性能。Du 等 [39] 在 TC4 鈦合金上制備了 TiSiCN/ Ag 納米復(fù)合涂層，裸材和涂層進(jìn)行 550℃NaCl 鹽腐蝕后的 XRD 及表面和截面微觀形貌分別如圖 7 和圖 8 所示。

另外，圖 9 是二者的腐蝕機(jī)理圖。鈦合金裸材被熱腐蝕后形成松散的腐蝕產(chǎn)物NaxTiyOz，成為裂紋來(lái)源，其次中間產(chǎn)物TiCl₄在高溫下具有揮發(fā)性，容易造成鈦合金內(nèi)部微孔，加劇了腐蝕。而涂層因?yàn)?Ag 的添加抑制了柱狀晶生成，減少了Cl^-和氧的擴(kuò)散通道，并且 Ag 能有效結(jié)合Cl^-形成較穩(wěn)定的 AgCl，抑制腐蝕產(chǎn)物NaxTiyOz和TiCl₄的生成。此外，Ag 還可以促進(jìn) TiSiCN 氧化生成TiO₂，進(jìn)一步提高了涂層的抗高溫腐蝕性能。除多層層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)外，楊畢肖 [40] 在 TA10 鈦合金表面制備了 2 種硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)金屬 / 非金屬?gòu)?fù)合涂層，分別為NiCr-MoSi₂和NiCr-MoSi₂-B4C復(fù)合涂層，并分別研究了它們?cè)诳諝夂退魵猸h(huán)境下 700~800℃的氧化性能，2 種涂層因分別生成了SiO₂和B₂O₃氧化膜而阻止了 O 的擴(kuò)散，進(jìn)而相較于 NiCr 涂層都表現(xiàn)出了更好的抗氧化性能。

2、鈦合金表面抗高溫腐蝕涂層制備方法

以上圍繞鈦合金抗高溫腐蝕性差的問(wèn)題，總結(jié)了多種防護(hù)涂層體系，針對(duì)不同的涂層，可采用不同的制備方法。下面對(duì)制備鈦合金抗腐蝕涂層常用的方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單總結(jié)，如表 1，包括噴涂技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)、液相等離子技術(shù)及高能束沉積技術(shù)等 [41-44]。

表 1 鈦合金表面涂層制備方法 Table1 Preparation method of titanium alloy surface coating

2.1 噴涂技術(shù)

在鈦合金涂層制備方法中，噴涂技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，可制備大尺寸部件，受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，包括熱噴涂、等離子體噴涂等。噴涂溫度一般都較高，特別是等離子火焰溫度可超過(guò) 10000℃[63]，可以熔化熔點(diǎn)很高的合金及陶瓷粉末，保證陶瓷顆粒能有效融入合金涂層中，該方法在制備鈦合金表面陶瓷顆粒增強(qiáng)涂層方面表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。

2.2 物理氣相沉積技術(shù)

物理氣相沉積技術(shù)包括真空蒸發(fā)、磁控濺射和離子鍍，其中磁控濺射和離子鍍技術(shù)應(yīng)用較廣泛。磁控濺射的工作原理為電子在電場(chǎng)作用下與惰性氣體如氬氣發(fā)生碰撞，產(chǎn)生氬離子，氬離子轟擊靶材，靶材原子獲得能量逸出表面，最終沉積在鈦合金基體上形成涂層，金屬和陶瓷涂層都可用該技術(shù)沉積。多弧離子鍍是制備鈦合金抗高溫腐蝕涂層最常用的技術(shù)之一，可制備出不同類型涂層 [51,64,65]，且所制備的涂層均勻致密、純度高、與基材結(jié)合性好。

2.3 高能束沉積技術(shù)

高能束沉積技術(shù)包括激光熔覆、電火花沉積、等離子堆焊技術(shù)等。激光熔覆技術(shù)利用高能激光束將鈦合金基體與涂料同時(shí)熔融形成熔池，再使它們迅速冷卻凝固，形成涂層，具有冷卻速度快、效率高、成分可控及涂層與基體結(jié)合良好等優(yōu)點(diǎn) [66]。電火花沉積技術(shù)中陽(yáng)極材料在放電的影響下經(jīng)歷電侵蝕，隨后轉(zhuǎn)移到陰極，混合，并與鈦合金粘合，可用來(lái)制備厚而連續(xù)的涂層，且同樣具有效率高的優(yōu)點(diǎn) [11,23]。等離子堆焊技術(shù)具有溫度高、穩(wěn)定性好、制備的涂層致密且與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效、綠色的表面改性技術(shù) [67-69]。Zhao 等 [70] 利用此技術(shù)在 TC4 鈦合金上合成 TiC 增強(qiáng)鈦基復(fù)合涂層，提高了鈦合金的耐腐蝕性能。若通過(guò)該技術(shù)在鈦合金表面制備含 Cr 等涂層，可提高合金的高溫性能，因此該技術(shù)在未來(lái)有望成為制備鈦合金抗高溫腐蝕涂層的選擇。

2.4 液相等離子技術(shù)

液相等離子技術(shù)包含微弧氧化和陰極等離子體電解沉積等。微弧氧化利用弧光放電產(chǎn)生的瞬間高溫高壓作用，常被用于鈦、鎂、鋁等金屬及合金表面原位生長(zhǎng)金屬氧化物涂層。該方法制備的膜層與鈦合金基體結(jié)合力強(qiáng)、韌性好且具有良好的耐高溫沖擊和耐腐蝕性能，是一種操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的方法 [71]。電解液成分、電壓及頻率等都會(huì)影響所制備涂層的性能 [72]，其中電解液直接參與氧化膜的形成，故電解液體系的選擇對(duì)制備出具有抗高溫腐蝕性能的涂層具有重要影響。與微弧氧化技術(shù)相比，陰極等離子體電解沉積技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，具有效率高、成本低、膜層成分可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，具有很大應(yīng)用潛力 [29]。

近年來(lái)，第一性原理計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、有限元等模擬方法發(fā)展迅速。Yu 等 [73,74] 利用第一性原理計(jì)算研究了涂層的熱力學(xué)及高溫性能，驗(yàn)證了涂層設(shè)計(jì)的合理性。Kanyane 等 [75] 則利用有限元分析模型模擬了 TC4 合金表面激光熔覆高熵涂層時(shí)的傳熱現(xiàn)象。Chen 等 [76] 利用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了具有所需性能的鈦合金，為將來(lái)設(shè)計(jì)具有一定性能的涂層提供了指導(dǎo)。因此利用合理的模擬手段輔助試驗(yàn)在鈦合金表面制備涂層可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率地提高其性能，對(duì)拓展合金的應(yīng)用范圍及延長(zhǎng)其使用壽命具有重要意義。

3、總結(jié)與展望

綜上，在鈦合金表面制備防護(hù)涂層基本不影響基體性能且能提高鈦合金的表面性能。所制備涂層中，單一金屬涂層阻止氧擴(kuò)散的能力有限，有學(xué)者則通過(guò)添加適量的有益元素如 Al、Si、Nb、Ni 等制備二元、三元及多元合金涂層，這些元素具有優(yōu)異的抗高溫氧化和耐腐蝕性能。但是，隨著時(shí)間增加，涂層中有益元素不斷消耗，金屬涂層最終也會(huì)面臨失效問(wèn)題。非金屬涂層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可有效阻止基體元素的外擴(kuò)散和腐蝕介質(zhì)的內(nèi)擴(kuò)散，但其脆性較大。除金屬和非金屬涂層外，制備的金屬 / 非金屬?gòu)?fù)合涂層包括多層復(fù)合涂層以及顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層，得到了較廣泛應(yīng)用。

為進(jìn)一步提高鈦合金的抗高溫腐蝕性能，未來(lái)的研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。首先，優(yōu)化涂層體系，延長(zhǎng)涂層穩(wěn)定性壽命。特別是針對(duì)于金屬涂層使用過(guò)程中存在的氧化層反復(fù)生成 - 開(kāi)裂 - 剝落循環(huán)，進(jìn)而最終導(dǎo)致涂層失效的問(wèn)題，優(yōu)化涂層設(shè)計(jì)，使其在開(kāi)裂階段能實(shí)現(xiàn)裂紋的自修復(fù)，對(duì)延長(zhǎng)涂層的保護(hù)時(shí)間具有重要意義。其次，采用不同制備方法相結(jié)合，制備具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層，可以兼具金屬和非金屬涂層的共同優(yōu)勢(shì)。再次，在提高鈦合金抗高溫腐蝕性能的同時(shí)，也應(yīng)考慮兼顧其抗磨損、抗疲勞等性能，因此開(kāi)發(fā)多功能一體化的涂層研究具有一定現(xiàn)實(shí)意義。最后，隨著科技發(fā)展，第一性原理計(jì)算、有限元分析等模擬手段逐漸得到重視，結(jié)合理論計(jì)算和模擬預(yù)測(cè)涂層性能，優(yōu)化涂層的設(shè)計(jì)和制備成為當(dāng)前鈦合金高溫腐蝕防護(hù)的重要方向。

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[編校：鄭] 通信作者：張津 (1963-), 博士，教授，主要研究方向?yàn)樘厥夤δ芡繉拥脑O(shè)計(jì)、優(yōu)化與制備，電話：010-82377393,E-mail: zhangjin@ustb.edu.cn Corresponding Author: ZHANG Jin (1963-), Ph.D., Professor, Research Focus: Design, Optimization and Preparation of Special Functional Coatings, Tel.: 010-82377393, E-mail: zhangjin@ustb.edu.cn