管材是航空航天、国防和核工业等领域的关键部件，其内壁常暴露于高温、腐蚀和磨损等严苛环境中。铬(Cr)涂层因其优异的高温性能，被广泛用于枪管、液压杆、事故容错型燃料包壳等应用场景的表面保护。然而，在管材内部的受限几何空间中沉积致密且附着力强的涂层是一项重大挑战。圆柱靶磁控溅射技术虽能实现长管内壁的均匀沉积，但在小内径管道中，放电环境受限，无法施加偏压，难以控制沉积粒子的能量。双极脉冲磁控溅射(Bipolar Pulsed Magnetron Sputtering, Bipolar-PMS)技术通过施加正脉冲，可以调控管内等离子体能量，从而控制涂层的微观结构。

来自哈尔滨工业大学的田修波教授等的研究人员利用双极脉冲磁控溅射技术，通过调整正脉冲电压(Positive Pulse Voltage, PPV)，在管材内壁制备具有不同微观结构的铬涂层，并系统研究PPV对涂层微观结构、高温氧化行为及抗热震性能的影响机制。相关成果于2026年2月3日以“High-temperature oxidation and thermal-shock behavior of chromium coatings on tube interiors by bipolar pulsed magnetron sputtering”为题发表在《Surface & Coatings Technology》。

样品制备：使用圆柱形Cr靶（纯度99.9%），采用Bipolar-PMS技术在20#碳钢管（内径40 mm，长度120 mm）内壁沉积Cr涂层。研究了四种正脉冲电压(50 V, 100 V, 200 V, 300 V)对涂层的影响，其他工艺参数（工作气压2.2 Pa，负脉冲电压530 V等）保持恒定。涂层同时沉积在附着于管内壁的平面基板（硅片和20#钢）上。

高温性能测试：在900°C空气气氛中进行等温氧化（1小时）和热震循环实验（共130次循环，每次包括在900°C氧化10分钟后于25°C去离子水中淬火）。采用GIXRD和X射线光电子能谱(XPS)分析氧化后涂层的物相和化学状态；采用SEM观察氧化和热震后的表面及截面形貌，并结合能谱(EDS)进行元素分析。

图1. 不同正脉冲电压下靶电压和电流随时间变化的波形图。

图2. Cr涂层的X射线衍射图谱与晶体尺寸及残余应力变化。

图3. Cr涂层的原子力显微镜三维形貌图像。

图4. 不同正脉冲电压下沉积的Cr涂层的截面扫描电子显微镜图像。

图5. 正脉冲电压为50 V和300 V下沉积的Cr涂层的透射电子显微镜图像、选区电子衍射图谱及高分辨率晶格条纹分析。

图6. Cr涂层在900°C空气中氧化1小时后的掠入射X射线衍射图谱。

图7. 不同正脉冲电压下制备的涂层在900°C氧化1小时后的X射线光电子能谱分析。

图8. 不同正脉冲电压下制备的涂层在900°C氧化1小时后的表面形貌。

图9. 不同正脉冲电压下制备的涂层在900°C氧化1小时后的截面形貌及氧化层厚度。

图10. 不同正脉冲电压下制备的涂层经过不同次数热震循环后的表面形貌演变。

图11. 正脉冲电压为100 V的涂层在热震循环测试后的扫描电子显微镜图像与元素分布图。

图12. Cr涂层在等温氧化和热震条件下的失效机理示意图。

研究结论：

1、正脉冲电压调控微观结构：随着PPV从50 V增加到300 V，涂层结构从疏松、开放的柱状晶结构演变为完全致密的微结构，同时压残余应力显著增加。其中，PPV为100 V的涂层取得了最佳平衡，具有最低的表面粗糙度（2.4 nm）、完全致密的柱状微结构和适中的压残余应力（约1626 MPa）。

2、高温氧化行为：在900°C等温氧化过程中，提高PPV有助于形成更致密、更具保护性的Cr₂O₃氧化层，从而延缓涂层氧化失效。然而，300 V涂层因产生过高的压残余应力，在氧化过程中引起了严重的界面应力失配，导致氧化层发生显著的褶皱和剥落。

3、热震性能与失效机制：在热震循环测试中，涂层失效分为三个阶段：a) 贯穿裂纹形成前的保护阶段；b) 氧(O)/铁(Fe)沿贯穿裂纹扩散和氧化阶段，形成铁氧化物(FexO)，抑制新裂纹生成但促进涂层剥离；c) 界面完全氧化后的涂层失效阶段。致密的100 V涂层在失效前承受了超过50次热震循环，性能显著优于多孔涂层（50 V）和过致密涂层（300 V）。

总之，正脉冲电压是调控管内壁Cr涂层微观结构和优化其高温性能的关键参数。适度（如100 V）的PPV可获得兼顾密度与残余应力的理想涂层，从而在高温氧化和热震条件下展现出最佳的耐久性。