梯度结构设计提升钼掺杂AlCrN涂层的力学性能与耐磨性：从微观结构到摩擦学性能的优化

为解决传统AlCrN涂层硬度不足、韧性差导致的工具寿命短等问题，研究人员通过磁控溅射技术制备了四种不同钼梯度浓度的AlCrMoN涂层（Mo-1至Mo-4）。研究发现，Mo-4涂层因梯度结构优化，硬度（H）和弹性模量（E）分别提升至~24 GPa和~231 GPa，摩擦系数低至0.38，磨损率仅0.5×10?7 mm3/N·m，且在700°C/800°C退火后仍保持优异性能。该研究为高性能工具涂层设计提供了新思路。

　　

在高速切削和精密加工领域，工具涂层的性能直接决定了加工效率和成本。AlCrN涂层因其高硬度和抗氧化性被广泛应用，但传统涂层存在硬度与韧性难以兼顾、摩擦磨损严重等问题，导致工具寿命不足。更棘手的是，涂层与基体间的应力集中易引发裂纹和剥落。为此，重庆某高校的研究团队提出了一种创新解决方案：通过梯度结构设计优化钼（Mo）掺杂的AlCrN涂层，相关成果发表在《Surface and Coatings Technology》上。

研究采用多靶磁控溅射技术（Magnetron Sputtering）制备了四种不同钼梯度浓度的AlCrMoN涂层（Mo-1至Mo-4），通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析微观结构，并测试力学性能与摩擦学行为。

涂层形态与结构
SEM显示所有涂层均呈现面心立方（fcc）固溶相和致密柱状晶结构。随着钼梯度浓度增加，Mo-4的平均晶粒尺寸从Mo-1的17 nm细化至10 nm，柱状结构更致密。XRD证实了(Al,Cr)N固溶相的形成。

力学性能
Mo-4表现出最优性能：硬度（H）从Mo-1的~11 GPa提升至~24 GPa，弹性模量（E）从~210 GPa增至~231 GPa。其H/E比（~0.10）和H³/E²（~0.26）显著提高，表明抗塑性变形能力增强。

摩擦学性能
室温摩擦测试中，Mo-4的平均摩擦系数（CoF）低至0.38，磨损率仅0.5×10^?7 mm³/N·m。高温退火（700°C/800°C）后性能稳定，归因于MoO₃润滑膜的形成和梯度结构缓解了残余应力。

结论与意义
该研究通过梯度结构设计实现了AlCrMoN涂层的性能突破：Mo-4的硬度提升117%，耐磨性显著改善。其核心机制包括固溶强化、优化的残余应力分布以及MoO₃润滑膜的自生成效应。这一成果为开发长寿命、高稳定性工具涂层提供了理论依据和技术路径，尤其适用于高温苛刻环境下的机械加工领域。作者Sidra Iram等强调，梯度设计策略可推广至其他多元氮化物涂层体系，具有广阔的工业应用前景。