HfNbTaMo中熵合金表面低温化学气相沉积金刚石薄膜的工艺优化与耐磨性能研究

为解决高温沉积金刚石薄膜存在的晶粒粗大、热应力高等问题，山西某研究团队在HfNbTaMo中熵合金(MEA)表面采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术，系统探究了550℃低温条件下CH4 浓度(3%最佳)对薄膜形貌、应力及耐磨性的影响。所获纳米晶金刚石薄膜摩擦系数降低61.6%~80.1%，为开发新型耐磨涂层提供了创新策略。

　　

金刚石薄膜因其超凡的硬度和极低的摩擦系数，被誉为材料界的"终极盔甲"。然而传统化学气相沉积(CVD)技术面临两大困境：一是硅等常规基底需要复杂的预处理才能实现金刚石成核，二是高温沉积(通常>800℃)会导致晶粒粗化和热应力积聚。更棘手的是，金属基底与金刚石热膨胀系数差异显著，薄膜易开裂剥落。近年来，高熵合金(HEA)因其独特的"碳捕获"能力成为研究热点，但相关研究仍局限于高温条件。

山西某研究团队另辟蹊径，选择由强碳化物形成元素(Hf、Nb、Ta、Mo)构成的中熵合金(MEA)作为基底，通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术，首次实现了550℃低温条件下的高质量金刚石薄膜制备。研究发现，HfNbTaMo的体心立方(BCC)结构与金刚石晶格失配率仅7.3%，其表面碳基团的快速富集使成核密度达到10⁸
-10¹⁰
cm^-2
，无需任何预处理。通过系统优化参数，团队发现3% CH₄
浓度下制备的薄膜兼具高纯度(拉曼光谱ID/IG值0.23)、低应力(2.1 GPa)和纳米晶结构(平均晶粒尺寸85nm)。摩擦测试显示，镀膜样品摩擦系数降幅达61.6%-80.1%，显著优于多数文献报道值。

关键技术包括：电弧熔炼法制备HfNbTaMo合金锭、微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)系统、X射线衍射(XRD)物相分析、扫描电子显微镜(SEM)形貌表征等。

【Preparation】
研究采用电弧熔炼法制备HfNbTaMo合金锭，四组元摩尔比为1:1:1:1。高纯氩气(≥99.99wt%)保护下反复熔炼5次确保成分均匀，所得合金呈现单一BCC相结构。

【Selection of the temperature】
XRD分析证实550℃沉积后基底BCC结构保持稳定，43.9°处出现金刚石特征峰。温度超过700℃时，薄膜生长模式从纳米晶层状生长转变为柱状晶生长，伴随表面粗糙度增加。

【Conclusion】
该研究开创性地证明了中熵合金在低温金刚石沉积中的优势：550℃下3% CH₄
浓度可获得应力最低(2.1 GPa)、纯度最高(ID/IG=0.23)的纳米晶薄膜。独特的层状生长模式使薄膜兼具高韧性和低摩擦特性(摩擦系数0.12)，较传统高温沉积工艺耐磨性提升3-5倍。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的工作，不仅为精密器件耐磨涂层开发提供了新思路，更拓展了中熵合金在表面工程领域的应用前景。