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

上。AlCrMoNiTi合金靶材主要为BCC和FCC简单固溶体的混合组织，而AlCrMnMoNiZr、AlCrMnMoNiZrBo.I以及AlCrMoZrTi合金靶材主要为富(Cr,Mo)BCC相和金属间化合物的混合组织。B对AlCrMnMoNiZr合金具有显著固溶强化效果，添加B后的合金硬度由528HV增加至741HV。AlCrMoNiTi合金的硬度低于AlCrMoZrTi合金，这与Ni的固溶强化效果弱于Zr元素相关。经7001000℃退火后，四种靶材的组织和硬度没有发生明显改变，硬度均保持在525HV以上，表现出较好的热稳定性。采用直流磁控溅射制备的AlCrMnMoNiZr和AlCrMnMoNiZrBo.!氮化物薄膜在氮气流率RN≤0.2时，其组织均呈非晶态，当R≥0.5时，两种合金的氮化物薄膜呈现以(111)晶向为择优取向的FCC氮化物固溶体结构。高熵合金氮化物固溶体的形成可以借助于传统合金化理论来分析，由于靶材中的组元原子半径相近，所形成的氮化物均为简单填隙相并且可以相互固溶。虽然每一个氮化物可以在磁控溅射过程中单独形成，但在薄膜的形核、长大过程中均可相互溶解，当所有的氮化物全部固溶后，就形成了具有简单FCC结构的连续固溶体。AlCrMnMoNiZr氮化物薄膜的硬度和模量随Rw的增加而增加，在Rw=1.0时分别达到最大值11.9GPa和190GPa。微量元素B的加入增加了薄膜的沉积速率，没有改善氮化物薄膜的力学性能，却改善了氮化物薄膜的摩擦性能，使其具有低的摩擦系数，约为0.12。采用射频溅射技术在溅射功率和衬底温度分别为250W和600K时制备Rw=-0.5的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制备的氮化物薄膜。AlCrMoNiTi和AlCrMoZrTi氮化物薄膜在氮气流率RN=0时为非晶结构的金属薄膜，当R、≥02后，两种合金的氮化物薄膜逐渐转变为以(200)晶向为择优取向的FCC氮化物固溶体结构，晶粒尺寸均在15~19nm之间。AlCrMoNiTi和AICrMoZrTi氮化物薄膜的硬度和模量分别由金属薄膜的9.7GPa和10.2GPa增加至15GPa和19.5GPa,这与氮化物的强键结、固溶强化和细晶强化有关。AlCrMoNiTi和AlCrMoZrTi氮化物薄膜溅镀于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不锈钢基体上的摩擦系数分别为0.224和0.146，磨损寿命分别为300s和1200s:溅镀于Cu基体上的摩擦系数分别为0.146和0.127，磨损寿命分别为100s和1200s。A1 CrMoZrTi氮化物薄膜