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专栏简介
“硬质材料”专栏由 Technologies 编委郭智兴博士主持，专注于难熔金属与硬质材料的材料制备与表征、数控刀具设计制造技术等研究工作。
郭智兴 博士
四川大学
四川省切削刀具智能设计与服务工程技术研究中心副主任，正高职称，博士生导师，四川省学术与技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才，“常春藤”Brown University国家留学基金委公派访问学者。长期主要从事粉末冶金、涂层、焊接等材料加工技术，难熔金属与硬质材料 (WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷) 的材料制备与表征，数控刀具设计制造技术等研究工作。主持国家自然科学基金、四川省重大专项/重点研发项目 (课题) 等20余项；主研国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备”3项，国家自然基金重点项目1项。在国际学术期刊发表SCI论文100余篇 (其中中科院TOP期刊70余篇)，引用2100余次，H-index为28；授权发明专利36项，转化4项；获四川省科技进步二等奖1项及市级一等奖1项。
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引言
工程中常采用表面涂层技术来保护在高速和高温条件下运行的部件，高熵合金因具有优异的机械性能而受到广泛关注。高熵概念也已扩展到陶瓷材料领域，包括高熵硼化物、碳化物、氮化物、氧化物和硅化物，通过将B、C、N、O或Si掺入金属基体中形成的高熵陶瓷材料在结构和功能应用方面都显示出很高的潜力。本研究通过HiPIMS/DCMS混合磁控溅射方法制备高熵氮化物涂层，并研究了Al和N元素对 (TiAlxCrNbY)Ny涂层微观结构和性能的影响。
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研究内容
本文采用直流磁控溅射 (DCMS) 与高功率脉冲磁控溅射 (HiPIMS) 相结合的混合磁控溅射工艺，在C45钢和Si (100) 基板上沉积TiAlxCrNbY金属涂层和 (TiAl0.5CrNbY)Nx氮化物涂层。这种混合的HiPIMS/DCMS配置可增强粘附性，增加薄膜密度，并改善微观结构，其中Al和Cr靶接HiPIMS电源，Ti、Nb和Y靶接DCMS电源，额外的射频源为基体提供偏压。
制备的四种TiAlxCrNbY涂层中X = 0.12，0.25，0.5，1，分别被命名为H1、H2、H3、H4。图1是四种涂层的XRD图谱，除了标有“S”的基体特征峰，样品H1的XRD图谱显示在大约30.35°和63.71°处的衍射峰分别为 (110) 和 (200) 晶面，39.17°处的衍射峰表明了非晶相的存在。随着Al含量的增加，(110) BCC峰向更高的2θ值移动，这是因为随着更多的铝原子 (低原子半径，1.432 Å) 和更少的钇原子 (高原子半径，1.802 Å) 进入晶胞，晶胞减小。由于Al与其他元素的负混合焓较大，增加Al的含量会加剧非晶化。
图1. 四种涂层的XRD图谱。
图2是涂层的表面AFM和截面SEM形貌。可见，涂层的表面以细小的圆顶柱状晶粒为主，晶粒尺寸随着涂层铝含量的增加而减小，当铝含量约为20 at.%时，表面形态转变为玻璃态形态特征 (样品H4)，这与XRD结果一致。涂层表面粗糙度从约0.95 nm (样品H1) 逐渐降低到约0.35 nm (样品H4)。
图2. (a) H1和 (b) H4样品的AFM表面图像；(c) H1和 (d) H4样品的横截面SEM图像。
图3是涂层的硬度 (H)、杨氏模量 (E)、磨损率和摩擦系数，样品H1的H和E值最低，分别约为6.1 GPa和81 GPa。随着Al浓度的增加，两种机械性能都得到改善，Al含量达到约12.5% (样品H3) 时，其H达到6.8 GPa，E达到87.1 GPa。随着Al浓度增加到约20% (样品H4)，H降至6.7 GPa，E降至86.2 GPa，略有下降。样品H3的磨损率最低，为315×10-6 mm3/Nm，比样品H1低约30%。摩擦系数 (COF) 随Al含量的变化较小。
图3. 涂层的 (a) 硬度 (H) 和杨氏模量 (E)，(b) 磨损率，(c) 摩擦系数。
TiAl0.5CrNbY涂层 (样品H3) 显示出机械和摩擦学特性的最佳组合。为了进一步改善摩擦学性能，将氮掺入TiAl0.5CrNbY (样品H3) 中，制备了两组不同氮含量的样品HN1 (TiAl0.5CrNbY)N0.5和HN2 (TiAl0.5CrNbY)N0.8。图4是H3、HN1和HN2的横截面SEM，可见，金属涂层具有致密、紧密堆积的柱状结构，当添加氮时 (样品HN1)，其密度变大，几乎呈玻璃状。随着氮含量的进一步增加 (样品HN3)，观察到大而清晰的柱状晶结构。样品H3和HN1显示出细小的圆柱状晶粒，而HN2显示出更大、更发达的晶粒。HN1的晶粒尺寸减小到0.24 nm (表明由于致密化和非晶化，表面更光滑)，样品HN2的晶粒尺寸增大到0.93 nm，反映了结晶度的增加和晶粒的增大。
图4. (a) H3、 (b) HN1和 (c) HN2样品的AFM图像；(d) H3、(e) HN1和 (f) HN2样品的横截面SEM图像。
图5显示了显微硬度和弹性模量随氮含量增加的演变。与金属样品H3相比，由于形成了强氮化物键，HEN涂层表现出显著增强的机械性能。涂层的硬度从约6.8 GPa (样品H3) 增加到14.3 GPa (样品HN1)，当氮含量约为45.8 at.%时达到21.8 GPa (样品HN2)。类似地，弹性模量从87.0 GPa (样品H3) 增加到127.5 GPa (样品HN1)，并进一步增加到171.9 GPa (样品HN2)。样品HN2的高弹性模量表明该材料更脆。随着氮浓度的增加，COF略有下降，从约0.61 (样品H3) 降至约0.57 (样品HN2) 。样品HN1的COF约为0.60。尽管COF没有显著变化，涂层的磨损率从约K = 315×10-6 mm3/Nm (样品H3) 降低到约21.2×10-6 m3/Nm (样品HN1)，并略微增加到约33.4×10-6 mm3/Nm (样品HN2) 。尽管HN2样品的显微硬度高于HN1，但磨损率略高。
图5. (TiAl0.5CrNbY)Ny涂层的 (a) 硬度 (H) 和杨氏模量 (E)，(b) 摩擦系数，(c) 磨损率。
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研究总结
本文使用混合磁控溅射技术制备了金属和氮化物涂层，研究了铝和氮含量对 (TiCrAlxNbY)Ny高熵涂层的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。增加铝浓度导致从晶体结构转变为纳米晶体和近乎非晶态结构，TiAl0.5CrNbY表现出硬度 (6.8 GPa)、弹性模量 (87.1 GPa) 和摩擦系数 (0.64) 的最佳平衡。氮的加入进一步改善了这些性能，使涂层转变为更致密的细晶FCC结构。(TiAl0.5CrNbY)N0.8显示出最高的硬度 (21.8 GPa)，但脆性增加，而 (TiAl0.5CrNbY)N0.5提供了硬度 (14.3 GPa)、弹性模量 (127.5 GPa)、摩擦系数 (0.60) 和耐磨性 (21.2×10-6 mm3/Nm) 的最佳平衡。
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阅读英文原文
原文出自 Crystals 期刊
Zoita, N.C.; Dinu, M.; Parau, A.C.; Pana, I.; Kiss, A.E. Mechanical, Tribological, and Corrosion Resistance Properties of (TiAlxCrNbY)Ny High-Entropy Coatings Synthesized Through Hybrid Reactive Magnetron Sputtering. Crystals 2024, 14, 993.
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版权声明：
*本文由 Technologies 期刊编委郭智兴博士翻译撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。
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