高熵合金氮化物薄膜是一種基於高熵合金設計理念的產物,在熱力學和動力學上可以分別具有更低的吉布斯自由能和更小的元素擴散速率,抑制了金屬間化合物有序相的生成,促進簡單固溶體結構甚至非晶相的形成。獨特的設計理念以及相結構賦予高熵合金氮化物薄膜超高硬韌性、優异耐磨和耐蝕性以及超强阻隔性等優异的物理性能,在航空航太、交通、能源等領域顯示出廣闊應用前景。直流/射頻磁控濺射(DC/RF-MS)是製備高熵合金氮化物薄膜常規的科技手段。然而,受限於較低的金屬離化率,DC/RF-MS不僅使得薄膜微結構疏鬆化並惡化了薄膜的效能,也大幅降低薄膜結構和效能的可控性。囙此,為了獲得高性能高熵合金氮化物薄膜,迫切需要一種可提供高密度电浆環境並進而控制薄膜生長過程的合成科技。近期,中科院力學所在這方面取得重要進展。
研究人員以Al-Cr-Ti-V-Zr-N高熵合金氮化物體系為研究對象,並採用高能脈衝磁控濺射科技(HiPIMS)構建高離化率的高熵合金电浆成膜環境。电浆發射光譜顯示HiPIMS电浆中所有靶材元素均呈現强烈的離化態趨勢,而在DCMS电浆中靶材元素則基本以激發態的形式存在。與此同時,HiPIMS製備薄膜過程中輔以基體偏壓科技,通過电浆鞘層的調控直接驅動电浆向基體運動,從而實現了對達到基體表面电浆能量和通量的控制。研究結果表明电浆能量和通量的新增可顯著增强離子轟擊效應,從而促進擇優形核點和缺陷的產生。同時,薄膜表面沉積粒子的遷移率和刻蝕效應也得到進一步的提高。所製備的(AlCrTiVZr)N薄膜均呈現單一的FCC固溶體結構,且在離子轟擊效應作用下其微結構形貌玻璃態化並呈現(111)晶粒取向擇優生長,晶粒尺寸細化(11.3nm),表面粗糙度低至0.4nm。薄膜的硬度在結構强化效應、細晶强化效應以邊界强化效應共同作用下達到超硬水准(48.3GPa)。該工作系統地闡述了高熵合金电浆時空特性-微結構-力學性能三者之間的關係,有效地解析了離子轟擊效應在高熵合金薄膜生長過程中的作用機制,為高性能的高熵合金氮化物薄膜的設計和製備提供了線索。
該工作以“Effect of bias voltage on the growth of super-hard(AlCrTiVZr)N high-entropy alloy nitride films synthesized by high power impulse magnetron sputtering”為題近日發表在薄膜與塗層領域頂級期刊Applied Surface Science上(https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150417)。中科院力學所助理研究員許億是論文第一作者,夏原研究員為通訊作者。此項研究得到國家自然科學基金和中科院戰畧先導專項的資助。
圖1 HiPMS电浆時空特性-微結構-效能之間的關係(DCMS為對比樣)
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