磁控溅射制备(AlCrTiV)Nx高熵合金薄膜的微观结构与摩擦学性能优化研究

为解决极端环境下传统润滑涂层易失效的问题，武汉科技大学团队通过磁控溅射技术制备了氮含量可调的(AlCrTiV)Nx高熵合金(HEA)薄膜。研究发现氮引入促使薄膜从非晶态转变为FCC单相结构，当N2流量为2 sccm时获得最优性能：硬度14.6 GPa、磨损率3.5×10?6 mm3/N·m。该研究为极端工况机械防护涂层开发提供了新思路。

　　

在航空航天、深海探测等极端环境中，机械部件常面临低温高压、强辐射等严苛挑战。传统润滑剂易挥发冻结，而常规涂层又存在氧化失效、剥落等问题。高熵合金(High-entropy alloy, HEA)薄膜因其高强韧、耐磨损等特性成为研究热点，但纯金属HEA薄膜的耐磨性仍不足。如何通过元素掺杂优化HEA薄膜性能，成为突破技术瓶颈的关键。

武汉科技大学研究人员选择兼具强度增强元素(Al、Cr、Ti)和摩擦改性元素(V)的AlCrTiV体系，采用磁控溅射技术制备氮含量梯度变化的(AlCrTiV)N_x薄膜。通过调控N₂流量（0-8 sccm），系统研究氮掺杂对薄膜结构演变与摩擦学行为的影响。相关成果发表于《Surface and Coatings Technology》。

研究采用直流磁控溅射技术在316不锈钢基底上沉积薄膜，通过XRD分析相结构，SEM观察形貌，纳米压痕仪测试力学性能，摩擦磨损试验机评估 tribological 性能。

相结构与晶粒尺寸
XRD显示未掺氮薄膜呈非晶态"馒头峰"，引入氮后形成NaCl型FCC固溶相。随着N₂流量增加，出现柱状晶结构且晶粒尺寸减小，薄膜厚度从3.2μm（0 sccm）降至2.5μm（8 sccm）。

力学性能
氮掺杂使硬度从9.8 GPa（非晶态）提升至峰值14.6 GPa（2 sccm），弹性模量达298.5 GPa。但过量氮（>4 sccm）会导致力学性能下降，这与氮空位增多有关。

摩擦学行为
最优N₂流量（2 sccm）下摩擦系数仅0.257，磨损率最低（3.5×10^?6 mm³/N·m）。磨损机制随氮含量变化：从氧化磨损为主转变为氧化-磨粒复合磨损，磨屑中Cr₂O₃占比最高，归因于铬的强氧化特性。

该研究证实氮掺杂可协同优化HEA薄膜的力学与摩擦学性能。通过形成(Al,Cr,Ti,V)N四元氮化物，实现结构强化与摩擦改性。2 sccm N₂流量为最佳工艺参数，此时薄膜兼具高硬度、低摩擦和优异耐磨性。这一发现为开发适用于极端环境的新型防护涂层提供了理论依据和技术路径，对提升重大装备关键部件服役寿命具有重要意义。