HiPIMS沉积TiN氢渗透屏障——阻隔效率56.9%&扩散系数降低3.8倍

点睛：

采用HiPIMS在SAE 1020碳钢上沉积TiN薄膜，氢渗透滞后时间从153 s增至570 s，有效扩散系数从1.03×10-9降至2.68×10-10 m²/s，稳态渗透电流密度从约50降至21.5 μA/cm²，阻隔效率达56.9%，渗透衰减因子PRF为2.32。

引言：

碳钢在富氢环境中易发生氢脆，严重影响氢能基础设施的稳定性。TiN涂层可作为氢渗透屏障，但传统PVD涂层因柱状晶和微孔导致阻氢效果有限。HiPIMS具有高离化率和致密沉积特性，能否制备出氢屏障？本文采用电化学渗透法定量评估HiPIMS-TiN涂层对SAE 1020碳钢的氢阻隔性能。

解析：

西班牙国立远程教育大学（UNED）制造工程系的Durán等采用HiPIMS技术，以“Assessment of HIPIMS-Deposited TiN Nanostructured Thin Films as Hydrogen Permeation Barriers on Carbon Steel”为题发表在《Materials》上，其工艺参数如下：

1）基体：SAE 1020碳钢，机械研磨+金刚石抛光，丙酮+乙醇超声清洗；2）靶材：钛靶；3）工作气体：Ar和N2；4）电源参数：HiPIMS脉冲频率≤1000 Hz，脉宽0-200 μs，峰值功率密度≤10 kW/cm²；5）沉积温度：室温；6）涂层厚度：约1-2 μm；9）氢渗透测试：Devanathan-Stachurski双池，充电侧0.1M H₂SO₄+硫脲，检测侧0.1M NaOH，电位+300 mV，恒电流密度7.291 mA/cm²，20±0.5 ℃。

图1 氢渗透电流密度-时间曲线（无涂层碳钢 vs TiN涂层）

图1展示了SAE 1020碳钢基体（红色曲线）和TiN涂层试样（蓝色曲线）的氢渗透电流密度随时间变化。无涂层碳钢：电流在约500 s内快速上升至峰值约50 μA/cm²，随后缓慢下降，未达到真正稳态——这是由于氢在α-Fe（BCC结构）中扩散极快，同时可逆陷阱逐渐饱和。TiN涂层试样：呈现明显不同的行为——初始570 s内电流几乎为零，滞后时间tlag=570 s，随后缓慢上升，达到约21.5 μA/cm²的准稳态平台。无涂层碳钢滞后时间约153 s，峰值电流约50 μA/cm²；TiN涂层后滞后时间延长至570 s，稳态电流降低约57%，阻隔效率56.9%。

图2 渗透曲线斜率分析——确定突破时间tb和拐点时间ti

图2通过对TiN涂层试样渗透电流上升段线性部分进行外推，确定突破时间tb（直线外推至基线电流对应时间）和拐点时间ti（曲线曲率变化点）。tb=233s，ti=345s。由不同方法计算的扩散系数分别为D(tlag)=2.75×10-10m2/s，D(t1/2)=2.79×10-10m²/s，D(tb)=2.64×10-10 m²/s，D(ti)=2.55×10-10 m²/s，平均值Deff=(2.68±0.09)×10-10 m²/s，四种方法一致性良好（变异系数<4%），证实了数据的可靠性。

图3 SEM-EDS元素分布——TiN涂层均匀性和致密性

图3的SEM-EDS元素面分布（图3b-d）显示Ti和N元素在整个分析区域均匀分布，且Fe信号在涂层区域几乎为零，表明涂层致密、无贯穿性缺陷。图3e的EDS点谱显示Ti和N的主峰，证实了化学计量比TiN的形成。TiN涂层厚度均匀，元素分布无异常聚集，这种致密微结构是优异氢屏障性能的结构基础。

结论与延伸：

1. HiPIMS-TiN涂层使碳钢的氢渗透滞后时间从153 s增至570 s，有效扩散系数从1.03×10⁻⁹降至2.68×10⁻¹⁰ m²/s（降低3.8倍），稳态渗透电流从约50降至21.5 μA/cm²，阻隔效率56.9%，PRF=2.32，为HiPIMS涂层在氢能基础设施中的抗氢脆应用提供了定量基准。

2. HiPIMS的高电离率和高能粒子轰击产生致密、低缺陷的TiN涂层，其面心立方晶体结构本身对氢的溶解度和扩散速率极低，加上涂层/基体界面处的位错和失配区作为氢陷阱，共同导致了显著的氢渗透延迟和通量衰减。

DOI:10.3390/ma19081623.