氮化钛（TiN）涂层具有优异的力学强度、化学稳定性和耐磨损性，在海洋工程、化工设备、光电子器件、生物医疗、电化学催化等领域有广泛的应用。但在以上应用环境中，普遍存在氯离子（Cl-离子）沿各类晶界入侵，造成TiN涂层腐蚀加速，甚至导致涂层结构失效的困境。数十年来，Cl-离子在各类致密/开放晶界上的稳定性和扩散规律仍然缺乏清晰的原子尺度理解，从而严重影响了涂层精准设计和可控制备技术的发展。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室、前沿交叉科学研究中心、原子尺度与微钠制造实验室的多个团队联合中国科学技术大学理化科学实验中心的先进微结构表征人员，对TiN晶界的Cl-离子腐蚀问题进行了合作研究。首先通过第一性原理计算，系统探究了TiN涂层中多类型晶界（开放晶间界+紧致孪晶界）上Cl-离子的表面吸附和晶界扩散规律，及其对晶界氧化的依赖关系。理论计算不仅揭示了腐蚀动力学速率背后决定性的“离子成键+晶格畸变”协同作用机理，还创新解释了数十年来不同实验涂层上涉氯腐蚀速率差别高达10⁸倍的原因。最后通过实验，可控制备了包含高密度孪晶界的多晶纳米TiN涂层，结合腐蚀测试实验和微结构表征，严格证明了理论计算上得到的表面吸附和晶界扩散规律，同时也创新发现了纳米多晶涂层上的“点蚀萌生+均匀腐蚀”的腐蚀失效机制，并在强酸条件下实现超高的抗腐蚀性能（腐蚀速率低至0.003 mm/y）。

本研究精确构建了晶界涉氯腐蚀动力学规律，并深入揭示了相关的原子尺度机理，可为新型TiN基防护涂层的研发提供性能规律指导和关键科学依据。该项研究成果以“Atomistic understanding of chlorine ingress into compact and wide-open grain boundaries of TiN”为题，发表在国际期刊《材料学报》上（Acta Materialia 2025, 301, 121505）。宁波材料所博士生周游麒为第一作者，毕佳畅博士为共同一作，通讯作者为中国科学技术大学葛敏高级工程师、宁波材料所曹彦伟研究员和黄良锋研究员。该研究获中国科学院战略先导专项、国家自然科学基金项目（U21A20127, 22272192）、浙江省领军型创新与创业团队引进计划（2024R01004）和宁波科技局项目（2022Z086）的资助。

图1. TiN涂层多种晶界上Cl-离子的吸附稳定性和扩散规律的理论计算与实验验证。

（前沿交叉科学研究中心 周游麒）