偏压电压协同调控磁控溅射CoCrNiTi中熵合金薄膜摩擦学性能与腐蚀行为的机制研究

为解决工程材料中强度-塑性难以兼得及表面防护性能不足的问题，研究人员通过磁控溅射技术制备了CoCrNiTi中熵合金薄膜(MEAFs)，系统研究了偏压电压(0 V~-150 V)对薄膜微观结构、力学性能及耐蚀/耐磨性的影响。结果表明：-150 V偏压下薄膜因晶化度提升获得最高硬度(11.30 GPa)和最低磨损率(2.55×10?4 mm3 N?1 m?1 )，腐蚀电流密度降低两个数量级至0.6×10?6 A/cm2 ，为高性能防护涂层设计提供了新思路。

　　

在材料科学领域，如何平衡材料的强度与塑性始终是工程应用的重大挑战。CoCrNi中熵合金(MEA)因其优异的低温强度和断裂韧性备受关注，但室温下过高的延展性和较低的屈服强度限制了其实际应用。传统通过元素掺杂（如Al、Ce、C等）虽能提升性能，却可能牺牲其他特性。与此同时，工业部件在复杂工况下常面临磨损与腐蚀的双重威胁，开发兼具优异机械性能和表面防护功能的薄膜材料成为迫切需求。

针对这一难题，来自黑龙江和四川的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，创新性地采用直流(DC)磁控溅射技术，通过调控偏压电压(0 V~-150 V)制备CoCrNiTi中熵合金薄膜(MEAFs)，系统揭示了偏压对薄膜结构-性能的协同调控机制。研究发现，-150 V偏压下薄膜同时实现11.30 GPa的超高硬度和2.55×10^?4
mm³
N^?1
m^?1
的极低磨损率，腐蚀电位提升至-0.542 V，突破了传统材料性能瓶颈。

关键技术方法包括：1) 采用DC磁控共溅射技术，以42CrMo钢和单晶硅为基底，CoCrNi与Ti为靶材；2) 通过掠入射X射线衍射(GIXRD)分析晶体结构；3) 纳米压痕仪测试力学性能；4) 电化学工作站评估腐蚀行为；5) 球-盘摩擦试验机测定磨损率。

【Crystal structure】
GIXRD显示所有薄膜均呈现FCC结构(111)晶面衍射峰（44°附近），0 V时宽化峰表明非晶/晶相共存。随偏压增大，衍射峰强度增强且半高宽减小，-150 V时晶化度最高，归因于离子轰击促进原子扩散重组。

【Reasons for the evolution of the microstructure of the films】
偏压增强粒子轰击能的同时提升扩散能力，促使FCC结构(111)面（原子堆积密度最高）优先生长。高偏压下晶界强化效应显著，硬度与韧性同步提升。

【Conclusion】

1. 偏压电压正向调控晶化度，负向影响表面粗糙度；2) -150 V时晶界强化使硬度达11.30 GPa，磨损率降低至2.55×10^?4
   mm³
   N^?1
   m^?1
   ；3) 腐蚀电流密度降低98%至0.6×10^?6
   A/cm²
   ，形成致密钝化膜。

该研究首次阐明偏压电压通过"晶化度-晶界强化-表面致密化"多尺度协同机制同步提升MEAFs的耐磨/耐蚀性，为航空航天、海洋工程等极端环境下的防护涂层设计提供了理论依据。Wei Jiang团队指出，未来可通过元素掺杂与工艺参数联调进一步优化性能，推动中熵合金薄膜的工业化应用。