鋼鐵表面高強(qiáng)韌涂層的研究進(jìn)展

白海強(qiáng)，鐘黎聲，康玲，崔鵬杰，莊衛(wèi)軍，鄧超，呂振林，許云華b,2

（1.西安理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院 b.復(fù)合材料及其產(chǎn)品智能制造技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，西安 710048；2.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000）

鋼鐵材料由于其較高的可加工性以及較低的制備成本，被廣泛用于工業(yè)和汽車行業(yè)，例如壓縮機(jī)曲軸、導(dǎo)軌和軋輥。然而，由于其較差的耐磨損性能以及相對(duì)較低的硬度，極易導(dǎo)致工件表面發(fā)生磨損失效，從而嚴(yán)重影響使用壽命，這限制了其應(yīng)用領(lǐng)域[1-3]。目前，提高鋼鐵材料表面力學(xué)性能主要有兩種途徑：其一，對(duì)鋼鐵材料表面進(jìn)行滲氮、滲碳或等溫淬火熱處理[4-6]；其二，在鋼鐵材料表面制備硬質(zhì)涂層[7-9]。與表面熱處理工藝相比而言，制備硬質(zhì)涂層可顯著改善鋼鐵表面硬度、強(qiáng)度以及耐磨損性能，是提高鋼鐵材料表面綜合性能的最佳方法[10-12]。傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層通常通過(guò)提高增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)來(lái)改善材料的強(qiáng)度和耐磨損性能。然而強(qiáng)度的提高往往伴隨著韌性和損傷容限的顯著下降，即強(qiáng)度-韌性呈現(xiàn)“倒置關(guān)系”[13-14]。設(shè)計(jì)并開發(fā)高強(qiáng)韌涂層材料是解決強(qiáng)度-韌性“倒置關(guān)系”的有效方法，研究其強(qiáng)韌化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性和良好耐磨損性能等兩種或多種性能的優(yōu)化組合，對(duì)擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大意義。

1 鋼鐵表面高強(qiáng)韌涂層分類

針對(duì)強(qiáng)度-韌性“倒置關(guān)系”，圍繞如何提高鋼鐵表面硬質(zhì)涂層材料的強(qiáng)韌性，國(guó)內(nèi)外材料研究學(xué)者設(shè)計(jì)并制備了一些高強(qiáng)韌涂層（圖1），如層狀結(jié)構(gòu)涂層[15-19]、多尺度結(jié)構(gòu)涂層[20-23]、梯度結(jié)構(gòu)涂層[24-26]和納米結(jié)構(gòu)涂層[27-31]。近年來(lái)，受自然界高性能物體的啟發(fā)，層狀結(jié)構(gòu)涂層和多尺度結(jié)構(gòu)涂層由于其優(yōu)異的力學(xué)性能而備受關(guān)注。前者是利用高體積分?jǐn)?shù)界面結(jié)構(gòu)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)致裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的變化和層間界面處應(yīng)力再分布現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的同時(shí)提高；后者主要是利用不同尺度增強(qiáng)體間的強(qiáng)韌化機(jī)制，充分發(fā)揮不同尺度增強(qiáng)體的優(yōu)點(diǎn)和協(xié)同耦合效應(yīng)，獲得綜合性能優(yōu)良的涂層材料。就梯度結(jié)構(gòu)涂層而言，涂層中增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸在涂層厚度方向上的梯度變化，降低了涂層與基體間的熱應(yīng)力，改善涂層與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而獲得優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。此外，納米結(jié)構(gòu)涂層也被廣泛用來(lái)強(qiáng)化鋼鐵材料，與傳統(tǒng)微米級(jí)結(jié)構(gòu)涂層相比，納米結(jié)構(gòu)涂層由于其獨(dú)特的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，可有效阻礙裂紋擴(kuò)展和減小層內(nèi)空位尺寸，從而使其具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。下面對(duì)這幾種高強(qiáng)韌涂層目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單地闡述。

圖1 鋼鐵表面高強(qiáng)韌涂層[16,22,25,28]Fig.1 High strength and toughness coatings on steel/iron surface[16,22,25,28]

1.1 層狀結(jié)構(gòu)涂層

1.1.1 層狀結(jié)構(gòu)涂層的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，受自然界貝殼多層次結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用不同的兩種組元或者多種組元以依次交替的方式疊加在一起，制備成具有微納米級(jí)層狀結(jié)構(gòu)的涂層材料，被認(rèn)為是突破強(qiáng)度與韌性“倒置關(guān)系”、提高涂層綜合性能的有效途徑之一[32-33]。與傳統(tǒng)單層涂層相比，納米級(jí)層狀結(jié)構(gòu)涂層具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，層狀結(jié)構(gòu)涂層可獲得不同組元層的功能組合[34-35]；其次，層間界面在外加載荷作用下發(fā)生適度層離，可促使裂紋偏轉(zhuǎn)，吸收能量，降低裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力，改善韌性[17,36]；最后，多界面結(jié)構(gòu)的存在限制了由晶粒內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)行為主導(dǎo)的材料變形，強(qiáng)度得到了提高[37]。目前，鋼鐵表面納米級(jí)層狀結(jié)構(gòu)涂層的設(shè)計(jì)主要分為三種：金屬/非金屬型、金屬/陶瓷型和陶瓷/陶瓷型。對(duì)于金屬/非金屬型多層結(jié)構(gòu)涂層，主要用于低應(yīng)力磨損工況條件，較為典型是M/Graphite-Like Carbon（GLC）（M=Ti、Cr、Ag 等）層狀結(jié)構(gòu)涂層，其結(jié)合了硬質(zhì)相M 良好的硬度和韌性以及軟相GLC 的低摩擦性能，實(shí)現(xiàn)了涂層強(qiáng)度、韌性和摩擦學(xué)性能的提高[15-16]。相比于金屬/非金屬型層狀結(jié)構(gòu)涂層，在金屬/陶瓷型層狀結(jié)構(gòu)涂層中，金屬層扮演的角色是軟相，陶瓷層是硬相，利用高強(qiáng)度陶瓷層和高韌性金屬層的協(xié)同耦合作用，實(shí)現(xiàn)涂層強(qiáng)度和韌性的同時(shí)提高[17,38]。例如，在304 不銹鋼表面制備AlSiCN/Ti 層狀結(jié)構(gòu)涂層。相比較AlSiCN 單層涂層（11.3 GPa，8.3 nJ/μm3），AlSiCN/Ti 層狀結(jié)構(gòu)涂層充分發(fā)揮了AlSiCN 層和Ti層的協(xié)同耦合作用，獲得了高硬度（20.9 GPa）和良好的韌性（17.0 nJ/μm3）[17]。對(duì)于納米級(jí)陶瓷/陶瓷型層狀結(jié)構(gòu)涂層，其結(jié)合了納米結(jié)構(gòu)涂層的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)汲取了不同組元的功能組合以及高體積分?jǐn)?shù)界面結(jié)構(gòu)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑韌性的進(jìn)一步提高[39]。例如，有研究者通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在鋼表面制備了微納米級(jí)TiN/TiBN 層狀結(jié)構(gòu)涂層。相對(duì)于單層TiN 涂層（18 GPa，2.2 MPa·m1/2）和TiBN 涂層（29 GPa，5.0 MPa·m1/2），TiN/TiBN 層狀結(jié)構(gòu)涂層表現(xiàn)出超高的硬度（31 GPa）和優(yōu)異的韌性（5.8 MPa·m1/2）[40]。

1.1.2 層狀結(jié)構(gòu)涂層的強(qiáng)韌化機(jī)理

材料增韌機(jī)制的本質(zhì)，是阻止裂紋的形成以及降低裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于層狀結(jié)構(gòu)涂層而言，層內(nèi)塑性變形能力大小、各組元層厚度、層間界面類型（強(qiáng)界面結(jié)合和弱界面結(jié)合）等，均對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展具有重要影響，這決定了涂層的韌化能力[17,37,40]。圖2 為層狀結(jié)構(gòu)涂層在外加載荷作用下的斷裂機(jī)理示意圖。對(duì)于金屬/陶瓷型層狀結(jié)構(gòu)涂層（圖2a），裂紋通常萌生于硬相層及其層間界面處，而軟相層中大量的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及塑性變形，能有效降低裂紋尖端的應(yīng)力集中，使裂紋尖端產(chǎn)生鈍化和偏轉(zhuǎn)[37,41]。軟相組元層的厚度決定了涂層位錯(cuò)容納能力的大小，當(dāng)層厚度越大時(shí)，尖端塑性變形區(qū)越大，阻礙裂紋擴(kuò)展能力越強(qiáng)[41-42]，進(jìn)而改善涂層的韌性；反之，當(dāng)軟相組元層的厚度減小時(shí)，位錯(cuò)可運(yùn)動(dòng)區(qū)域減小并大量塞積于界面處，降低了抑制裂紋擴(kuò)展的能力，從而導(dǎo)致涂層的韌性降低[37]。然而，不論是金屬/非金屬（金屬/陶瓷）型層狀結(jié)構(gòu)涂層，還是陶瓷/陶瓷型層狀結(jié)構(gòu)涂層（圖2b），當(dāng)各組元層的厚度達(dá)到納米尺度時(shí)，層內(nèi)位錯(cuò)密度較低，界面處難以實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)堆積，此時(shí)裂紋長(zhǎng)度近似于單組元層的厚度。因此，組元層厚度減小即裂紋長(zhǎng)度減小，降低了裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力[37,42]。同時(shí)，組元層厚減小即界面結(jié)構(gòu)增加，界面數(shù)目作為阻礙裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵因素，體現(xiàn)了界面增韌增強(qiáng)的疊加效果。即隨著界面數(shù)目增加，界面對(duì)裂紋的阻礙作用增強(qiáng)，有利于提高強(qiáng)度；高體積分?jǐn)?shù)界面結(jié)構(gòu)和裂紋擴(kuò)展的相互作用，可以有效實(shí)現(xiàn)層中局部應(yīng)力的減小和再分布，并增加裂紋穿層過(guò)程中的再形核次數(shù)[39,40,43]，有利于提升涂層的斷裂韌性。例如，Azadi 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在AISI H13 熱加工工具鋼表面制得初始界面層數(shù)分別為2、4、6、10 的微納米級(jí)TiN/TiC陶瓷/陶瓷型層狀結(jié)構(gòu)涂層，其斷裂韌性和硬度隨層數(shù)的增加而增加，當(dāng)層數(shù)為10 時(shí)，其斷裂韌性和硬度值約為純TiN 陶瓷層的2 倍。此外，層間界面類型對(duì)涂層的力學(xué)性能也有著顯著的影響。當(dāng)層間界面結(jié)合強(qiáng)度較高時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力不能被有效釋放，導(dǎo)致涂層發(fā)生脆性斷裂。然而，層間界面的適度層離在一定程度上可促使裂紋偏轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展路徑，降低裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力（圖2），進(jìn)而大幅提升涂層的斷裂韌性[38]。

圖2 層狀結(jié)構(gòu)涂層斷裂機(jī)理示意圖[38]Fig.2 Schematic diagram of fracture mechanism of laminar structured coating[38]: a) metal/ceramic type; b) ceramic/ceramic type

1.2 多尺度結(jié)構(gòu)涂層

1.2.1 多尺度結(jié)構(gòu)涂層的研究現(xiàn)狀

多尺度結(jié)構(gòu)涂層類似于混凝土結(jié)構(gòu)，主要是由納米尺度、亞微米尺度及微米尺度增強(qiáng)相和金屬粘結(jié)相構(gòu)成。涂層中的亞微米尺度和微米尺度增強(qiáng)相分別類似于混凝土中的砂粒（細(xì)骨料）及碎石（粗骨料），納米尺度增強(qiáng)相和金屬粘結(jié)相類似于水泥[22]。其中，亞微米尺度增強(qiáng)相填充在微米尺度增強(qiáng)相形成的空隙之中，而金屬粘結(jié)相和納米尺度增強(qiáng)相填充亞微米尺度和微米尺度增強(qiáng)相形成的空隙，這有助于提高涂層的致密度，進(jìn)而為涂層的強(qiáng)韌性做出積極的貢獻(xiàn)。而且納米尺度增強(qiáng)相彌散分布在金屬粘結(jié)相中，起到彌散強(qiáng)化作用，可提高涂層的強(qiáng)度[37-38]。此外，涂層中不同尺度的增強(qiáng)相混合，均勻分布，存在大量的結(jié)合界面，提高了涂層的塑性及韌性。因此，多尺度結(jié)構(gòu)涂層具有“納米硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)的粘結(jié)相”作為基體，“亞微米/微米尺度顆?！弊鳛樵鲰g相的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多尺度協(xié)同強(qiáng)韌化作用，從而兼顧對(duì)強(qiáng)度和韌性的綜合要求[20,22]。目前，實(shí)現(xiàn)多尺度結(jié)構(gòu)涂層可控制備的方式主要有：1）原材料粉末設(shè)計(jì)為不同尺度分布特征；2）制備過(guò)程中原位形成多尺度微觀組織。對(duì)于第一種制備方式，例如以納米和微米WC 顆粒為原料，采用熱噴涂技術(shù)在低碳鋼表面可實(shí)現(xiàn)雙尺度WC-Co 涂層的制備。與傳統(tǒng)微米級(jí) WC-Co 涂層（2.3%，1058HV0.1，(8.7±1.1) MPa·m1/2）相比，雙尺度WC-Co 涂層具有更致密的組織結(jié)構(gòu)、更高的硬度（1164HV0.1）和斷裂韌性（(11.5±1.4) MPa·m1/2）[20,44]。對(duì)于第二種制備方式，例如通過(guò)熱噴涂Fe-Ti-C 混合粉末，可在鋼基表面制備TiC-Fe 雙尺度結(jié)構(gòu)涂層，原位形成的納米尺度和微米尺度TiC 顆粒混合分布，顯著改善了涂層的強(qiáng)度和韌性[21]。此外，通過(guò)等離子熔覆Ti-Fe-B4C 混合粉末，可在Q235 鋼表面獲得TiB2和TiC 共增強(qiáng)的多尺度結(jié)構(gòu)涂層，其中TiB2主要為長(zhǎng)條狀（60～74 μm）和六邊形塊狀（4～5 μm），而TiC主要是不規(guī)則的多邊形細(xì)小顆粒（2～3 μm），這種不同形貌、不同組元、不同尺度的協(xié)同耦合提高了涂層的強(qiáng)度和韌性[23]。

1.2.2 多尺度結(jié)構(gòu)涂層的強(qiáng)韌化機(jī)理

多尺度結(jié)構(gòu)涂層強(qiáng)韌化的本質(zhì)是通過(guò)調(diào)控不同尺度、不同形貌、不同組元增強(qiáng)體的含量和配比，充分發(fā)揮不同增強(qiáng)體的優(yōu)點(diǎn)和耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)混雜強(qiáng)韌化[44-47]。圖3 為多尺度結(jié)構(gòu)涂層在外加載荷作用下的斷裂機(jī)理示意圖。納米尺度顆粒通常彌散分布在韌性金屬相中及亞晶界處，阻礙位錯(cuò)及晶界的移動(dòng)，提高臨界形核半徑，從而起到Orowan 強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，這有效地改善了涂層的強(qiáng)度[22,46]。亞微米尺度/微米尺度增強(qiáng)體可改變涂層斷裂時(shí)的裂紋擴(kuò)展方向，且不同尺度增強(qiáng)體間結(jié)合面多，存在大量的細(xì)晶粒邊界，由此提高了多尺度涂層的塑韌性。并且涂層中引入短纖維或晶須可同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性。一方面，利用短纖維（晶須）脫粘、橋接、拔出等機(jī)制，改善韌性；另一方面，利用短纖維（晶須）在基體中的載荷傳遞效應(yīng)，提高強(qiáng)度[23,46,48]。此外，顆粒與短纖維（晶須）混雜增強(qiáng)時(shí)，顆?？烧{(diào)節(jié)晶須位置，改善微區(qū)應(yīng)力分布。因此，涂層中不同尺度、不同形貌、不同組元增強(qiáng)體的混合分布設(shè)計(jì)，可顯著改善涂層的強(qiáng)韌性。

1.3 梯度結(jié)構(gòu)涂層

1.3.1 梯度結(jié)構(gòu)涂層的研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代，日本首次提出“功能梯度結(jié)構(gòu)”這一概念，并研發(fā)出功能梯度熱障材料，用于解決航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁兩側(cè)高達(dá)2200 ℃的溫差。借鑒“梯度結(jié)構(gòu)”這一獨(dú)特的思想，在鋼鐵材料表面制備梯度結(jié)構(gòu)涂層得到了廣泛的研究。相比較傳統(tǒng)均質(zhì)結(jié)構(gòu)涂層，梯度結(jié)構(gòu)涂層憑借微觀組織的梯度轉(zhuǎn)變，可有效地改善基體和涂層之間因物理性能突變而導(dǎo)致的界面失效問(wèn)題，提高涂層的韌性和強(qiáng)度[24]。梯度結(jié)構(gòu)可以歸納為：增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)由涂層表面到基體逐漸減??；增強(qiáng)體的晶粒尺寸由涂層表面到基體逐漸減小或增加；增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸均從涂層表面到基體逐漸變化。例如，西安理工大學(xué)許云華教授研究組[24-25]利用鑄鐵中的碳原子作為碳源，將具有碳化物形成能力的鈦（或鉭）板置于鑄鐵基體表面，在近共晶點(diǎn)溫度條件下進(jìn)行熱處理，實(shí)現(xiàn)高溫下原子的互擴(kuò)散和原位反應(yīng)（C+M=MC，M=Ti、Ta）。基于碳原子的濃度梯度擴(kuò)散特征，在基體鑄鐵表面原位形成TiC-Fe 梯度結(jié)構(gòu)涂層和TaC-Fe 梯度結(jié)構(gòu)涂層。其中，對(duì)于TiC-Fe 梯度結(jié)構(gòu)涂層，從涂層表面到基體，在體積分?jǐn)?shù)逐漸減小的同時(shí)，TiC 顆粒的尺寸由微米尺度（6.34 μm）逐漸減小到亞微米尺度（0.54 μm）；對(duì)于TaC-Fe 梯度結(jié)構(gòu)涂層，從涂層表面到基體，在體積分?jǐn)?shù)逐漸減小的同時(shí)，TaC 顆粒的尺寸由納米尺度（10 nm）逐漸增加到亞微米尺度（0.450 μm）。此外，昆明理工大學(xué)宋鵬教授研究組[49-50]采用熱噴涂技術(shù)，通過(guò)調(diào)控原材料Al2O3-40wt%TiO2和NiCoCrAl粉末的比例，在低碳鋼表面制備了僅有體積分?jǐn)?shù)梯度變化的Al2O3-40wt%TiO2/NiCoCrAl 梯度結(jié)構(gòu)涂層，涂層微觀組織的梯度變化顯著改善了涂層的韌性以及涂層與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。

1.3.2 梯度結(jié)構(gòu)涂層的強(qiáng)韌化機(jī)理

圖4 為梯度結(jié)構(gòu)涂層在外加載荷作用下的斷裂機(jī)理示意圖。施加應(yīng)力的情況下，在涂層表面的高體積分?jǐn)?shù)陶瓷區(qū)域內(nèi)，裂紋呈穿晶或者沿晶擴(kuò)展（圖4a）。隨著涂層深度的增加，陶瓷增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)（尺度）逐漸降低，即韌性相的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，裂紋尖端被韌性相抑制并發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)（圖4b）、裂紋橋接（圖4c）、裂紋分叉（圖4d）和裂紋鈍化（圖4e），導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展曲折化、裂紋路徑延長(zhǎng)化及裂紋擴(kuò)展能量高耗化，進(jìn)而改善了涂層的韌性[50-51]。同時(shí)，微觀組織的梯度轉(zhuǎn)變也顯著降低了涂層與基體界面處的界面應(yīng)力，避免了涂層在服役過(guò)程中的整層剝落。同時(shí)，利用涂層表面高體積分?jǐn)?shù)陶瓷增強(qiáng)相還可以改善鋼鐵材料表面強(qiáng)度。因此，相比較傳統(tǒng)均質(zhì)涂層，層內(nèi)梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可顯著改善涂層的強(qiáng)度和韌性。

1.4 納米結(jié)構(gòu)涂層

隨著納米技術(shù)和涂層制備工藝的發(fā)展，在鋼鐵表面制備納米結(jié)構(gòu)涂層已經(jīng)成為材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。由于納米結(jié)構(gòu)涂層的層內(nèi)晶粒尺度細(xì)化和晶界數(shù)量增加，突破了傳統(tǒng)微米級(jí)結(jié)構(gòu)涂層的性能界限，實(shí)現(xiàn)了涂層強(qiáng)度和韌性的同時(shí)提高，因此在鋼鐵表面制備納米結(jié)構(gòu)涂層，可有效推動(dòng)鋼鐵材料的應(yīng)用[28-29]。目前，鋼鐵表面納米結(jié)構(gòu)涂層的制備方法主要有氣相沉積法[28,32]和熱噴涂法[27,29]。氣相沉積法制備納米結(jié)構(gòu)涂層的關(guān)鍵是，通過(guò)控制沉積溫度、沉積速度、沉積距離以及化學(xué)成分實(shí)現(xiàn)對(duì)晶粒形核和長(zhǎng)大的調(diào)控[52]。例如，利用化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)控制N2/Ar 比，在冷作工具鋼上實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)TiCN 涂層的制備，當(dāng)N2/Ar 比為0.6 時(shí)，TiCN 相的平均晶粒尺寸約為40 nm，涂層表現(xiàn)出較高的硬度（1125HV0.01）和優(yōu)異的斷裂韌性（34.1 MPa·m1/2）[28]。而熱噴涂制備納米結(jié)構(gòu)涂層的關(guān)鍵因素是，原材料粉末為納米尺度，以及控制噴涂過(guò)程中晶粒的形核和長(zhǎng)大。例如，以納米WC-Co粉末為原料，采用等離子噴涂表面改性技術(shù)，通過(guò)調(diào)控噴涂距離、噴涂功率和噴涂角度，可在0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼表面實(shí)現(xiàn)WC-17Co 納米結(jié)構(gòu)涂層的可控制備。相比較相同工藝參數(shù)下制備的WC-17Co 微米結(jié)構(gòu)涂層（1172HV0.2，56 MPa），WC-17Co 納米結(jié)構(gòu)涂層呈現(xiàn)出高硬度（1210HV0.2）和高界面結(jié)合強(qiáng)度（69.2 MPa）[53-54]。近來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)微觀組織調(diào)控和工藝設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)制備含高韌性非晶相的納米結(jié)構(gòu)涂層[55-56]。涂層內(nèi)高韌性非晶相的引入，可有效阻擋納米晶的滑移，抑制裂紋擴(kuò)展，降低微裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力。因此，高韌性非晶相和高硬度納米相的協(xié)同耦合效應(yīng)，使涂層表現(xiàn)出高硬度、良好的韌性和優(yōu)異的耐磨損性能[55]。例如，通過(guò)磁控濺射法在AISI 304 不銹鋼表面制備由納米晶相（Ti(AlV)CxNy）和非晶相（Si3N4、SiCx和sp2碳）組成的TiAlVSiCN納米結(jié)構(gòu)涂層。相比較于TiN 納米結(jié)構(gòu)涂層（硬度為24 GPa，彈性模量為334 GPa），引入非晶相的TiAlVSiCN 納米結(jié)構(gòu)涂層呈現(xiàn)出高硬度（34 GPa）、高彈性模量（345 GPa）和優(yōu)異的韌性[56]。因此，在鋼鐵表面制備納米結(jié)構(gòu)涂層，具有一定的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

基于上述研究，通過(guò)微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮涂層中不同組元以及不同尺度間的協(xié)同耦合機(jī)制，可有效協(xié)調(diào)和平衡強(qiáng)度與韌塑性之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑韌性的協(xié)同提高，推動(dòng)鋼鐵基復(fù)合材料的發(fā)展，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

2 鋼鐵表面高強(qiáng)韌涂層發(fā)展趨勢(shì)

目前，鋼鐵基表面復(fù)合材料雖然已經(jīng)取得了系列的研究成果，強(qiáng)度、韌性以及耐磨損性能等在一定程度上也都有所提高。但是由于制備方法的局限，微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單以及強(qiáng)韌化機(jī)制相對(duì)單一等問(wèn)題，是制約其強(qiáng)韌性進(jìn)一步提高的瓶頸。圍繞這些問(wèn)題，鋼鐵基表面復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)可概括為：

1）開發(fā)新型表面改性技術(shù)。目前高強(qiáng)韌涂層的制備基本沿用傳統(tǒng)表面改性技術(shù)工藝，制備流程較長(zhǎng)且成型為器件較為困難，極大地限制了工業(yè)化的應(yīng)用。因此需要開發(fā)新型表面改性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌涂層的可控制備，進(jìn)而將其成型為器件，促進(jìn)工業(yè)發(fā)展[57]。

2）多元多尺度構(gòu)型復(fù)合化設(shè)計(jì)與精確調(diào)控?；谧匀唤绺咝阅芪矬w多元多尺度構(gòu)型的啟發(fā)，設(shè)計(jì)與制備多元多尺度結(jié)構(gòu)涂層材料，充分發(fā)揮涂層中不同組元、不同尺度及不同形貌間的相互協(xié)同、耦合和多功能響應(yīng)機(jī)制，構(gòu)建強(qiáng)韌一體化機(jī)制及其與涂層內(nèi)微觀組織特征參量的關(guān)系[46-47,58-59]。

3）構(gòu)建微觀組織-力學(xué)性能數(shù)值模擬。目前，鋼鐵基表面復(fù)合材料的微觀組織調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及力學(xué)性能評(píng)估主要依賴實(shí)驗(yàn)摸索，導(dǎo)致研發(fā)進(jìn)程緩慢、資源消耗巨大。因此，通過(guò)計(jì)算模擬對(duì)涂層進(jìn)行構(gòu)型化設(shè)計(jì)及力學(xué)性能模擬評(píng)估，可以突破低效、高耗的研發(fā)模式困境。但是，現(xiàn)有的計(jì)算模擬均建立在均質(zhì)微觀組織基礎(chǔ)上，例如第一性原理計(jì)算、相圖計(jì)算、相場(chǎng)模擬和有限元分析方法等，所以需要將至少兩種以上的不同尺度計(jì)算方法進(jìn)行耦合?；谕繉又许g性相、增強(qiáng)相以及微觀界面的本構(gòu)特性，構(gòu)建涂層微觀組織結(jié)構(gòu)的多元多尺度仿真模型，實(shí)現(xiàn)鋼鐵基表面復(fù)合材料性能擬實(shí)，量化影響性能的關(guān)鍵因素等[57,60]。

基于此，作者提出了鋼鐵表面多元多尺度結(jié)構(gòu)涂層的可控制備技術(shù)原型路線圖（圖5），即通過(guò)新型表面改性技術(shù)與理論計(jì)算、仿真模擬的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)鋼鐵表面多元多尺度結(jié)構(gòu)涂層的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與精確調(diào)控，建立微觀組織-力學(xué)性能之間的函數(shù)關(guān)系，準(zhǔn)確揭示其強(qiáng)韌化機(jī)理，為突破強(qiáng)度-韌性“倒置關(guān)系”瓶頸，實(shí)現(xiàn)綜合性能優(yōu)異的鋼鐵基表面復(fù)合材料的制備提供新思路。