通过磁控溅射技术调整C-N共掺杂Al（0.5CoCrFeNi高熵合金）薄膜的微观结构，以提升其机械性能和抗腐蚀性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Tailoring microstructure of C-N co-doped Al 0.5CoCrFeNi HEA films via?magnetron?sputtering?for enhanced mechanical and corrosion properties

本研究通过磁控溅射制备了C-N共掺杂（Al0.5CoCrFeNi）CNx高熵合金薄膜，系统研究了不同N?流量比例下C-N协同效应对薄膜微观结构、力学性能及耐腐蚀性的影响。结果表明，C-N共掺杂优化了相组成，平均晶粒尺寸减小至53.34 nm，硬度达10.76 GPa，腐蚀电位峰值-0.075 V，显著提升了材料综合性能。

　　本研究聚焦于一种新型的高熵合金薄膜——C和N共掺杂的(Al?.?CoCrFeNi)CN?高熵合金薄膜（HEAFs）。通过磁控溅射技术，在304不锈钢（304SS）和单晶硅基底上成功制备了这些合金薄膜，并系统地探讨了不同氮气流量比例（R?）下C-N协同作用对薄膜微观结构、机械性能和耐腐蚀性的影响。研究揭示了C和N作为间隙原子在高熵合金中所起的关键作用，为设计具有更优综合性能的高熵合金薄膜提供了理论支持。

高熵合金（HEAs）是一类由五种或更多主元素以近等摩尔比例组成的新型合金材料，其独特的成分设计使其展现出许多优异的物理和化学性能。这些性能包括高硬度、高强度以及出色的耐腐蚀能力。HEAs的高熵效应和严重的晶格畸变共同作用，使其在多个领域展现出广阔的应用前景。例如，AlCoCrFeNi基高熵合金因其良好的综合性能，已成为近年来研究的重点之一。其在海洋工程、航空航天和生物医学等领域具有重要的应用价值，特别是在需要长期暴露于海水环境中的关键部件如螺旋桨、泵和阀门等。

然而，尽管高熵合金表现出诸多优点，其硬度相对较低仍然是制约其应用的一个重要因素。为了克服这一局限，研究者们开始探索通过引入非金属元素（如C和N）来增强其机械性能。这些间隙原子能够占据晶格中的间隙位置，从而对合金的微观结构和性能产生深远影响。C和N的协同作用在提高合金硬度、改善其微观结构以及增强其耐腐蚀能力方面表现出显著优势。例如，一些研究表明，C的加入可以显著提升合金的强度，而N的掺杂不仅有助于细化晶粒，还能促进非晶相的形成，从而进一步改善材料的性能。

本研究采用磁控溅射技术制备了C和N共掺杂的(Al?.?CoCrFeNi)CN?高熵合金薄膜，并在不同氮气流量比例下对其性能进行了系统分析。实验结果显示，随着N含量的增加，合金薄膜的微观结构发生了显著变化。在没有N掺杂的情况下，即CN-0薄膜，观察到三种相的存在：BCC、FCC1和FCC2。其中，FCC2相是由Al基固溶体形成的。然而，当引入N后，由于C/N与金属元素之间的亲和力差异，导致元素分布的变化，进而引发FCC2相的消失和重新形成。这种现象表明，C和N的协同作用对合金的相组成具有重要影响。

此外，C和N的加入还对合金薄膜的微观结构产生了显著的调控作用。研究发现，随着N含量的增加，合金薄膜的平均团簇尺寸从93.00 nm减少到53.34 nm，这表明N的引入有助于细化合金的微观结构。同时，薄膜的厚度在N含量增加到一定水平时逐渐增加，达到3.15 μm，随后由于“靶材中毒”效应，随着N含量的进一步增加，薄膜厚度开始下降，最终稳定在2.2 μm左右。这一现象揭示了N在溅射过程中对薄膜生长行为的调控机制，为优化溅射参数提供了重要依据。

在机械性能方面，研究结果表明，C和N的协同作用显著提升了合金薄膜的强度。其中，CN-40薄膜在10.76 GPa的硬度表现尤为突出，这主要归因于晶界强化效应。晶界强化是高熵合金薄膜提升机械性能的一个重要机制，通过细化晶粒和优化晶界结构，可以有效增强材料的强度和韧性。此外，C和N的引入还促进了柱状结构的致密化，进一步提升了合金的机械性能。

在耐腐蚀性方面，C和N的协同作用同样表现出显著效果。研究发现，随着N含量的增加，合金薄膜的耐腐蚀性能逐步提高，其在3.5% NaCl溶液中的腐蚀电位达到了-0.075 V，这一数值显著高于未掺杂的合金薄膜。耐腐蚀性的提升主要归因于合金表面形成了更致密、连续且稳定的钝化膜。这种钝化膜的形成不仅依赖于合金中金属元素的分布，还与非金属元素（如C和N）的引入密切相关。C和N的协同作用有助于增强钝化膜的稳定性，从而有效抑制腐蚀反应的发生。

本研究还通过系统的实验分析，揭示了C和N在高熵合金薄膜中的作用机制。C和N作为间隙原子，能够占据晶格中的间隙位置，从而对合金的微观结构产生调控作用。这种调控作用不仅影响合金的相组成，还对合金的机械性能和耐腐蚀性产生深远影响。研究结果表明，C和N的协同作用在提升合金性能方面具有显著优势，特别是在提高硬度和增强耐腐蚀性方面。

此外，本研究还探讨了不同N含量对合金薄膜性能的影响。当N含量较低时，FCC2相的消失可能与C/N与金属元素之间的亲和力差异有关，这种差异导致了元素分布的不均匀性。然而，当N含量增加到一定水平时，FCC2相又会重新形成，这可能与N对Al元素的亲和力增强有关。这一现象表明，C和N的协同作用在合金薄膜的相组成调控中起着关键作用，同时也揭示了间隙原子在合金设计中的重要性。

本研究的实验结果不仅为优化高熵合金薄膜的性能提供了重要的理论依据，也为未来高熵合金薄膜的设计和应用奠定了基础。通过调控C和N的掺杂比例，可以有效改善合金的微观结构，进而提升其机械性能和耐腐蚀性。这一研究结果对于开发高性能的高熵合金薄膜具有重要意义，特别是在海洋工程和航空航天等对材料性能要求较高的领域。

在实际应用中，高熵合金薄膜因其优异的综合性能而受到广泛关注。例如，在海洋环境中，关键部件如螺旋桨和泵需要长期暴露于海水，这对材料的耐腐蚀性提出了极高要求。高熵合金薄膜通过引入非金属元素（如C和N）可以显著提升其耐腐蚀能力，从而延长设备的使用寿命。此外，高熵合金薄膜还具有良好的耐磨性能，这使其在需要频繁摩擦和磨损的环境中具有广泛的应用前景。

本研究通过系统的实验分析，揭示了C和N共掺杂对高熵合金薄膜性能的影响机制。研究发现，C和N的协同作用不仅能够调控合金的微观结构，还能显著提升其机械性能和耐腐蚀性。这些结果为未来高熵合金薄膜的优化设计提供了重要的理论支持和实验依据。通过进一步研究C和N的协同作用机制，可以更深入地理解其对合金性能的影响，从而为开发高性能的高熵合金薄膜提供新的思路和方法。

总之，本研究通过磁控溅射技术成功制备了C和N共掺杂的(Al?.?CoCrFeNi)CN?高熵合金薄膜，并系统地探讨了C-N协同作用对薄膜性能的影响。研究结果表明，C和N的引入能够显著提升合金的硬度和耐腐蚀性，同时调控其微观结构。这些发现不仅丰富了高熵合金薄膜的研究内容，也为未来高熵合金薄膜的设计和应用提供了重要的理论支持和实验依据。通过进一步探索C和N的协同作用机制，有望开发出具有更优性能的高熵合金薄膜，以满足不同工程领域对材料性能的更高要求。