典型涂层表界面行为及其约束效应的研究

The operational reliability of the coatings is closely related to the structure and mechanical characteristics of the bond interface between the coating and the substrates. Good interface compatibility and stability is the prerequisite conditions of coating application. However, the formation process of the bond interface is complicated and their structure and mechanical characteristics are transient, which make the control of the bond interface structure difficulty and affect the function of the coating. This project is proposed to investigate the formation process of the bond interface and the evolution law of their structure, energy and mechanical state by combining surface analysis technology and numerical simulation method, explore their surface/interface behavior and reveal the main factors determining their failure mechanism and key property. It will focus on analizing the influences of mechanical and crystallography compatibility of the bond interface on the stress state and the service performance of the coating and revealing the genetic regularity and restraint effect of the layer structure on the system of coating and substrate for the typical coating. The results will provide the theoretical and technical support for the design and application of the coatings.

涂层的服役可靠性与涂层/基体界面结合区域的结构及力学特征密切相关。良好的界面匹配性及协同稳定性是涂层应用的先决条件，然而，由于涂层/基体界面过渡区域的形成过程复杂，界面结构及力学特性瞬变，使得涂层/基体界面结构的调控困难，影响了涂层功能的有效发挥。本项目拟通过表界面分析技术与数值模拟相结合的方法研究典型基体/预处理层/涂层体系中异质界面过渡区域的形成特征及其结构、能量及力学状态的演变规律，探索热、力作用下该体系的表界面行为，明确其表界面失效机制及关键性能的主要控制因素。重点分析界面过渡区域的力学及晶体学匹配特征对涂层体系应力状态及服役性能的影响，揭示典型涂层体系多界面层结构的遗传规律及表界面约束效应。本项目的实施将为应用广泛的涂层体系及其配套工艺的科学设计和应用提供理论指导和实验依据。

涂层的服役性能与其界面结构的稳定性密切相关，合理的界面设计是涂层应用的先决条件。本项目采用实验与数值模拟相结合的研究方法，对典型涂层界面特征及服役条件下涂层的界面行为规律开展了针对性研究，以期实现涂层体系的稳定性设计。项目按照预期研究计划执行，研究过程顺利，已经完成的主要研究内容有：采用等离子熔覆、激光熔覆、电刷镀、等离子喷涂等多种表面涂层成型技术结合前处理工艺，制备多元、多相、多层等各类典型涂层体系，并对涂层结构及其异质复杂界面进行了表征及分析，明确其界面结合形式、结构特征、能量状态、元素扩散等重要界面特征，揭示异质界面形成过程中的杂质元素偏聚控制、择优取向诱导、缺陷优化等的涂层界面调控及优化机制；通过热力、热循环、电化学等实验，结合分子动力学模拟，重点分析了界面区域在热、力、腐蚀等联合作用下组织、结构、物化特性等演化行为、阻滞效应及失效机制，阐明了良好的界面匹配特征对提升涂层体系应力状态和服役性能的重要意义；利用Materials Studio模拟软件，从原子或分子尺度出发，对涂层界面结合情况进行了考察，揭示了涂层界面的结合微观机制及其界面结合本质；通过TEM原位动态力学实验，深入探究了多界面结构界面特征对结合强度的影响，明确了界面特征在原位拉伸过程中的演化行为，半定量/定性地表征了界面结合强度，阐明了基于结构转变的界面失效遗传规律。本项目深入揭示了典型涂层的界面行为及其与服役性能的相互作用关系，为典型涂层关键服役性能的有效提升提供了有效的理论支撑和实验依据，对涂层体系的整体稳定设计具有重要的指导意义。同时，基于上述研究成果申请国家发明专利10项，授权7项；完成相关学术论文30余篇，其中已发表SCI论文22篇、EI论文2篇、送审6篇;获得省级自然科学奖1项。