直流溅射制备AlCrMnMoNiZr(B0.1)高熵合金氮化物薄膜组织与性能研究

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文档主要内容

文档类型：研究报告
适用人群：材料科学、薄膜技术、高熵合金领域的研究人员及工程技术人员

文档核心内容：
该研究系统分析了直流磁控溅射制备的AlCrMnMoNiZr(B0.1)高熵合金氮化物薄膜的组织结构与力学、摩擦性能，揭示了靶材成分、氮气流率、溅射方式及衬底类型对薄膜性能的影响规律。

可解决的实际问题：
为高熵合金氮化物薄膜的工艺参数优化、性能调控及工程应用（如耐磨涂层、硬质防护层）提供数据支撑和理论依据。

正文内容：
高熵合金氮化物薄膜因其优异的力学性能和热稳定性，在表面防护领域具有重要应用前景。本研究以AlCrMoNiTi、AlCrMnMoNiZr、AlCrMnMoNiZrB0.1及AlCrMoZrTi四种合金靶材为对象，采用直流磁控溅射技术制备氮化物薄膜，系统考察了成分、氮气流率及溅射方式对薄膜组织与性能的影响。

靶材的组织特征存在显著差异。AlCrMoNiTi合金靶材主要为BCC和FCC简单固溶体的混合组织，而AlCrMnMoNiZr、AlCrMnMoNiZrB0.1及AlCrMoZrTi靶材则以富(Cr,Mo)BCC相和金属间化合物为主。添加微量元素B后，AlCrMnMoNiZr合金的硬度由528HV显著提升至741HV，表明B具有强烈的固溶强化效果。相比之下，AlCrMoNiTi合金的硬度低于AlCrMoZrTi合金，这与Ni的固溶强化效果弱于Zr元素有关。经700～1000℃退火后，四种靶材的组织和硬度均未发生明显变化，硬度保持在525HV以上，展现出良好的热稳定性。

在氮化物薄膜制备过程中，氮气流率（RN）对薄膜结构起决定性作用。采用直流磁控溅射制备的AlCrMnMoNiZr和AlCrMnMoNiZrB0.1氮化物薄膜，当RN≤0.2时组织呈非晶态；当RN≥0.5时，薄膜转变为以(111)晶向为择优取向的FCC氮化物固溶体结构。该固溶体的形成可借助传统合金化理论解释：靶材组元原子半径相近，形成的氮化物均为简单填隙相且可相互固溶，最终形成具有简单FCC结构的连续固溶体。AlCrMnMoNiZr氮化物薄膜的硬度和模量随RN增加而上升，在RN=1.0时分别达到最大值11.9GPa和190GPa。微量元素B的加入提高了薄膜的沉积速率，但未改善力学性能，却显著优化了摩擦性能，使摩擦系数低至0.12。

与直流溅射相比，射频溅射制备的薄膜性能更优。在溅射功率250W、衬底温度600K、RN=0.5条件下，AlCrMnMoNiZr氮化物薄膜的硬度分别达到15.2GPa和17.8GPa，摩擦系数分别为0.15和0.12，明显高于直流磁控溅射样品。对于AlCrMoNiTi和AlCrMoZrTi氮化物薄膜，当RN=0时呈非晶金属薄膜；RN≥0.2后逐渐转变为以(200)晶向为择优取向的FCC氮化物固溶体，晶粒尺寸在15～19nm之间。其硬度和模量分别由金属薄膜的9.7GPa和10.2GPa增至15GPa和19.5GPa，这归因于氮化物强键结、固溶强化和细晶强化的协同作用。

摩擦磨损性能受衬底类型影响显著。AlCrMoNiTi和AlCrMoZrTi氮化物薄膜在Si衬底上的本征摩擦系数分别为0.15和0.13，磨损寿命基本相同。溅镀于S304不锈钢基体时，摩擦系数分别为0.224和0.146，磨损寿命分别为300s和1200s；溅镀于Cu基体时，摩擦系数分别为0.146和0.127，磨损寿命分别为100s和1200s。AlCrMoZrTi薄膜在多种基体上均表现出更低的摩擦系数和更长的磨损寿命，综合性能优于AlCrMoNiTi薄膜。

结论与建议：
该研究通过对比多种靶材成分和溅射工艺，明确了氮气流率、溅射方式及衬底类型对高熵合金氮化物薄膜组织与性能的调控规律。微量元素B可有效提升靶材硬度并改善薄膜摩擦性能，但未增强薄膜力学强度；射频溅射相比直流溅射能获得更高硬度和更低摩擦系数。建议在实际应用中根据服役条件选择靶材成分和溅射参数，例如对耐磨性要求高的场景优先选用AlCrMoZrTi薄膜或射频溅射工艺。

文档评价：
内容翔实，数据完整，实验设计系统，结论可靠，对高熵合金氮化物薄膜的制备与性能优化具有明确的指导价值。

使用建议：
可直接作为高熵合金薄膜研究方向的参考文献，也可用于指导耐磨涂层、硬质防护层的工艺开发与性能评估。