寧波材料所在TiN涂層晶界涉氯腐蝕微觀機理方面取得進展
氮化鈦（TiN）涂層具有優(yōu)異的力學強度、化學穩(wěn)定性和耐磨損性，在海洋工程、化工設(shè)備、光電子器件、生物醫(yī)療、電化學催化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但在以上應(yīng)用環(huán)境中，普遍存在氯離子（Cl-離子）沿各類晶界入侵，造成TiN涂層腐蝕加速，甚至導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)失效的困境。數(shù)十年來，Cl-離子在各類致密/開放晶界上的穩(wěn)定性和擴散規(guī)律仍然缺乏清晰的原子尺度理解，從而嚴重影響了涂層精準設(shè)計和可控制備技術(shù)的發(fā)展。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室、前沿交叉科學研究中心、原子尺度與微鈉制造實驗室的多個團隊聯(lián)合中國科學技術(shù)大學理化科學實驗中心的先進微結(jié)構(gòu)表征人員，對TiN晶界的Cl-離子腐蝕問題進行了合作研究。首先通過第一性原理計算，系統(tǒng)探究了TiN涂層中多類型晶界（開放晶間界+緊致孿晶界）上Cl-離子的表面吸附和晶界擴散規(guī)律，及其對晶界氧化的依賴關(guān)系。理論計算不僅揭示了腐蝕動力學速率背后決定性的“離子成鍵+晶格畸變”協(xié)同作用機理，還創(chuàng)新解釋了數(shù)十年來不同實驗涂層上涉氯腐蝕速率差別高達108倍的原因。最后通過實驗，可控制備了包含高密度孿晶界的多晶納米TiN涂層，結(jié)合腐蝕測試實驗和微結(jié)構(gòu)表征，嚴格證明了理論計算上得到的表面吸附和晶界擴散規(guī)律，同時也創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)了納米多晶涂層上的“點蝕萌生+均勻腐蝕”的腐蝕失效機制，并在強酸條件下實現(xiàn)超高的抗腐蝕性能（腐蝕速率低至0.003 mm/y）。
本研究精確構(gòu)建了晶界涉氯腐蝕動力學規(guī)律，并深入揭示了相關(guān)的原子尺度機理，可為新型TiN基防護涂層的研發(fā)提供性能規(guī)律指導(dǎo)和關(guān)鍵科學依據(jù)。該項研究成果以“Atomistic understanding of chlorine ingress into compact and wide-open grain boundaries of TiN”為題，發(fā)表在國際期刊《材料學報》上（Acta Materialia 2025, 301, 121505）。寧波材料所博士生周游麒為第一作者，畢佳暢博士為共同一作，通訊作者為中國科學技術(shù)大學葛敏高級工程師、寧波材料所曹彥偉研究員和黃良鋒研究員。該研究獲中國科學院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項、國家自然科學基金項目（U21A20127,?22272192）、浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)團隊引進計劃（2024R01004）和寧波科技局項目（2022Z086）的資助。
圖1.?TiN涂層多種晶界上Cl-離子的吸附穩(wěn)定性和擴散規(guī)律的理論計算與實驗驗證。
（前沿交叉科學研究中心?周游麒）