过渡金属氮化物涂层具有高硬度、耐磨性和化学惰性，但传统的二元氮化物涂层因柱状晶结构和缺陷，在海洋腐蚀防护方面存在固有局限。将硅掺入AlN涂层中形成AlSiN纳米复合涂层已被证明可显著提升防护性能，但单层AlSiN薄膜的防护性能仍受限于薄膜生长和电弧沉积固有缺陷的限制，且与基体间的热膨胀系数不匹配导致附着力较弱。

多层涂层，特别是纳米层状涂层，通过堆叠多种子层并结合不同材料的优异性能，引入大量界面以增强机械鲁棒性，可中断柱状晶生长并将沿晶界的垂直腐蚀路径转为横向路径，从而提升耐腐蚀性。然而，针对阴极电弧离子镀纳米层状涂层中液滴诱导缺陷的演化及其对腐蚀防护性能影响的研究，以及TiN/AlSiN多层结构在海水和海洋环境中基本防护和失效机制的阐明，仍存在关键的研究空白。

来自华中科技大学等的研究人员通过交替沉积TiN和AlSiN层，在Ti-6Al-4V（TC4）钛合金上制备纳米层状TiN/AlSiN涂层。系统比较了其与单层TiN和单层AlSiN涂层的性能，阐明其在海洋环境中的腐蚀防护和失效机制，并首次证明多层设计可将阴极电弧离子镀中不可避免的三维液滴缺陷重构为危害较小的二维层间缺陷，从而为海洋腐蚀防护建立新策略。相关成果于2026年2月3日以“Defect-modulated nanolayered TiN/AlSiN coating with exceptional durability against marine corrosion”为题发表在《Surface & Coatings Technology》。

样品制备：

通过阴极电弧离子镀技术，使用Ti靶和AlSi靶，在Ti-6Al-4V（TC4）钛合金和单晶硅片基体上沉积了厚度约为3微米的单层TiN涂层、单层AlSiN涂层和纳米层状TiN/AlSiN涂层。通过旋转基底支架交替暴露于不同靶材前，实现多层结构。所有涂层均在相同的基准条件下沉积，并通过调整沉积时间确保涂层总厚度相当。

图1. 样品制备示意图：通过旋转基底支架在Ti和AlSi靶前交替暴露，沉积TiN/AlSiN纳米多层涂层。

图2. 纳米层状TiN/AlSiN涂层的表面和截面形貌及结构表征：（a）表面扫描电子显微镜形貌，（b）截面扫描电子显微镜形貌（虚线圆圈突出显示了有限的横向缺陷），（c-d）截面扫描透射电子显微镜图像显示清晰的交替TiN（亮）和AlSiN（暗）多层结构，（e-h）对应区域的能量色散X射线谱面分布图（Ti, N, Al, Si）。

图3. 纳米层状TiN/AlSiN涂层截面的高分辨率透射电子显微镜分析：（a）高分辨率透射电子显微镜图像显示纳米复合结构和界面，（b）由快速傅里叶变换处理得到的选定区域电子衍射花样显示六方氮化铝和立方氮化钛衍射环，（c-e）区域I（立方氮化钛）和区域II（立方氮化铝）的界面分析及对应的快速傅里叶变换花样，（f-g）红色虚线框区域（六方氮化铝）的高分辨率透射电子显微镜图像及对应的快速傅里叶变换花样。

图4. 单层TiN和AlSiN涂层的表面和截面形貌：（a-b）单层TiN涂层的表面和截面扫描电子显微镜图像，（c-d）单层AlSiN涂层的表面和截面扫描电子显微镜图像（箭头指示三维异质包裹体缺陷），（e-g）单层AlSiN涂层中大型氮缺陷三维异质包裹体的形成示意图。

图5. 纳米层状TiN/AlSiN涂层、单层TiN和单层AlSiN涂层的X射线衍射谱。

图6. 纳米层状TiN/AlSiN涂层、单层TiN和单层AlSiN涂层的X射线光电子能谱：（a）Ti 2p谱，（b）Al 2p谱，（c）Si 2p谱，（d）N 1s谱。

图7. 纳米层状TiN/AlSiN涂层、单层TiN和单层AlSiN涂层的纳米压痕硬度和弹性模量。

图8. 三种涂层的电化学阻抗谱结果：（a）奈奎斯特图：Z'（实部）对 -Z"（虚部），（b）波特图：频率对阻抗模值，（c）波特图：频率对 -相位角，（d）用于基体的等效电路，（e）用于涂层样品的等效电路。

图9. 三种涂层及TC4基体在3.5 wt% NaCl溶液中的动电位极化曲线。

图10. 动电位极化测试后三种涂层的表面形貌：（a-c）纳米层状TiN/AlSiN涂层，（d-f）单层TiN涂层，（g-i）单层AlSiN涂层。

图11. 盐雾测试960小时后单层TiN涂层的腐蚀形貌及失效机理：（a-e）典型腐蚀坑的扫描电子显微镜图像及对应的能量色散X射线谱面分布图（N, O, Al, Ti），（f）TiN涂层在盐雾暴露下两阶段失效过程示意图。

图12. 盐雾测试960小时后单层AlSiN涂层的腐蚀形貌及失效机理：（a）表面网状腐蚀形貌的扫描电子显微镜图像，（b-f）腐蚀表面的能量色散X射线谱面分布图（N, O, Al, Si, Ti），（g）表面骨架结构的能量色散X射线谱点分析，（h）AlSiN涂层失效机理示意图，包括水解诱导的氧化物形成过程和液滴驱动的点蚀。

图13. 盐雾测试960小时后纳米层状TiN/AlSiN涂层的腐蚀形貌：（a）表面腐蚀坑的扫描电子显微镜图像，（b-f）腐蚀区域的能量色散X射线谱面分布图（N, O, Al, Si, Ti）。

图14. 纳米层状TiN/AlSiN涂层在盐雾测试后典型腐蚀坑的截面聚焦离子束-透射电子显微镜表征：（a-c）从腐蚀区域（白色虚线区域）原位切割出的薄片示意图及扫描电子显微镜图像，（d）腐蚀坑截面的扫描透射电子显微镜图像显示氧富集表面层，（e）涂层截面中观察到的多个不同尺寸的横向层间缺陷（箭头指示），（f-k）对应区域的能量色散X射线谱面分布图（Ti, N, O, Al, Si）及对缺陷#1-#4的分析。

图15. 腐蚀区域与完整涂层界面处的高分辨率透射电子显微镜分析（对应图14d中虚线框区域）：显示由氧化腐蚀层（区域I）、过渡阻挡层（区域II）和原始多层区（区域III）组成的三层结构，以及各区域的快速傅里叶变换花样。

图16. 纳米层状TiN/AlSiN涂层在长期盐雾暴露下的腐蚀过程示意图。

研究结论：

1、纳米层状TiN/AlSiN涂层由交替的TiN层（4-5nm）和AlSiN层（7-8nm）组成，该结构有效中断了TiN的柱状生长并促进了致密化。AlSiN层形成了由六方氮化铝纳米晶嵌入非晶氮化硅基体构成的纳米复合结构。局部c-TiN上c-AlN的外延生长产生了具有离域界面应变场的相干界面，影响了位错动力学，为多层体系硬度增强提供了额外贡献。

2、在力学性能方面，多层涂层显示出介于单层TiN和单层AlSiN之间的硬度和弹性模量，其相对于AlSiN涂层的硬度增强归因于本征高硬度的TiN层的引入以及与多层结构相关的细晶强化效应。

3、在电化学腐蚀性能方面，在3.5 wt% NaCl溶液中，纳米层状TiN/AlSiN涂层表现出最高的腐蚀电位（-0.33 V）和相对于TiN涂层降低约93%的腐蚀电流密度（1.7×10-8 A·cm-2），综合了AlSiN的防护阻抗和TiN的机械鲁棒性。长期盐雾测试进一步证实了其在海洋大气中的持续保护能力，腐蚀被有效限制在多层体系内部。

该研究首次证实多层结构将AlSiN中有害的三维大液滴缺陷重构为二维横向层间缺陷，并抑制了TiN的垂直腐蚀通道，从而将腐蚀限制在多层体系内。透射电子显微镜分析揭示了一个三层降解结构，包含氧化腐蚀层、致密过渡阻挡层和完整的原始多层区，展示了其对腐蚀扩展固有的自阻滞效应。这项工作建立了一种缺陷调控的新范式，表明纳米层状结构不仅能提高机械鲁棒性，还能将不可避免的沉积缺陷转化为可控的扁平横向特征，从而延缓腐蚀引发的失效。