铌含量调控对AlCrTiV高熵合金薄膜微观结构及腐蚀摩擦性能的协同优化机制

为解决海洋装备部件在腐蚀-磨损耦合环境下的失效问题，武汉科技大学团队通过DC/RF磁控共溅射技术制备(AlCrTiV)1-xNbx高熵合金薄膜(HEAF)，系统研究Nb含量对薄膜非晶结构、钝化行为及摩擦学性能的影响。发现32.1% Nb含量样品具有最优腐蚀抗力，其通过调控O元素相互作用模式形成保护性钝化膜；Nb引入虽不影响摩擦系数但会降低膜基结合力，为海洋防护涂层设计提供新思路。

　　

海洋环境中机械部件的腐蚀-磨损协同失效是制约装备寿命的关键难题。海水中的电化学腐蚀与机械摩擦共同作用，加速了304不锈钢等传统材料的表面损伤。高熵合金薄膜(High Entropy Alloy Films, HEAF)因其独特的非晶结构和多组元协同效应，被视为新一代海洋防护涂层的候选材料。然而，如何通过元素调控同时提升HEAF的腐蚀抗力和耐磨性，仍是当前研究的瓶颈。

武汉科技大学材料研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究中，创新性地采用直流(DC)与射频(RF)磁控共溅射技术，通过调节Nb靶材的RF功率(500-800W)，在硅片和304不锈钢基底上制备出Nb含量梯度变化的(AlCrTiV)_1-xNb_x薄膜。该研究首次揭示了Nb元素在HEAF体系中对非晶结构演化、钝化膜形成机制以及摩擦学行为的特殊影响规律。

关键技术包括：1) DC/RF磁控共溅射参数协同调控；2) X射线光电子能谱(XPS)分析钝化膜元素化学态；3) 电化学工作站测试动电位极化曲线；4) 球-盘摩擦试验机评估耐磨性能。研究样本队列涵盖5组不同Nb含量(0-32.1 at.%)的薄膜体系。

相与微观结构
X射线衍射(XRD)证实所有薄膜均呈现典型非晶弥散峰。当Nb含量增至22.3%时，扫描电镜(SEM)显示截面出现独特柱状非晶结构，原子力显微镜(AFM)测得表面粗糙度先降后升，最低值出现在Nb-600W组(1.2nm)。能谱(EDS)面扫证实元素分布均匀，但Nb引入导致Al、Cr含量显著降低。

腐蚀行为
电化学测试表明，Nb-700W组(32.1%Nb)具有最优腐蚀抗力，其自腐蚀电流密度较未掺Nb组降低两个数量级。XPS分析揭示Nb⁵⁺促进了O₂的化学吸附，形成富含Cr₂O₃/Nb₂O₅的复合钝化膜。但过量Nb(>32.1%)会导致钝化膜疏松，引发点蚀敏感性升高。

摩擦学性能
尽管Nb含量对摩擦系数(稳定在0.45±0.03)无显著影响，划痕测试显示膜基结合力随Nb增加从35N(Nb-0W)降至18N(Nb-800W)。磨损形貌分析表明，高Nb含量薄膜因内聚能降低出现剥层磨损，这与RF溅射导致的原子沉积动能变化相关。

该研究证实Nb元素通过三重机制影响HEAF性能：1) 调控非晶结构致密度；2) 改变钝化膜化学组成；3) 降低薄膜内聚强度。特别值得注意的是，32.1% Nb含量可实现腐蚀抗力与表面光洁度的协同优化，这为海洋装备关键部件（如船舶轴承、海水泵阀）的防护涂层设计提供了明确成分窗口。研究同时指出，未来需通过界面工程改善高Nb含量HEAF的膜基结合力，这对推动高熵合金薄膜在极端环境下的实际应用具有重要指导价值。