铌氮固溶强化(FeCoNiCuNb)Nx高熵合金氮化膜的制备与性能研究

【编辑推荐】为解决3d过渡金属高熵合金(HEA)薄膜强度不足、耐磨性差的问题，研究人员通过反应磁控溅射技术开发了Nb-N固溶强化的(FeCoNiCuNb)Nx高熵合金氮化膜(HENFs)。研究发现Nb-N均匀分布形成固溶强化，使薄膜硬度提升至9.48 GPa，磨损率降至1.01×10?6 mm/N·m，同时保持与304不锈钢相当的耐腐蚀性，为3d-HEA薄膜强化提供了新策略。

　　

在材料科学领域，3d过渡金属高熵合金(HEA)薄膜因其优异的塑性和耐腐蚀性备受关注，但其机械强度和耐磨性始终无法与难熔金属基HEA体系媲美，这严重限制了其在工业中的应用。如何在不牺牲固有优势的前提下提升这类薄膜的性能，成为研究者们亟待解决的难题。近期研究表明，通过引入间隙元素和难熔金属组分可能实现性能的协同增强，但元素偏析和腐蚀性能下降等问题仍待攻克。

针对这一挑战，绵阳师范学院等机构的研究人员创新性地提出通过Nb-N固溶工程强化FeCoNiCu基薄膜的策略。团队采用高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)技术，制备了(FeCoNiCuNb)N_x高熵合金氮化膜(HENFs)，系统研究了Nb-N复合对薄膜结构性能的影响。相关成果发表在《Vacuum》期刊，为3d-HEA薄膜的强化提供了重要参考。

研究采用高功率脉冲磁控溅射技术，在单晶硅和304不锈钢基底上沉积薄膜，通过调节氮气流量(F_N)控制氮含量。利用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描电镜(SEM)观察形貌，纳米压痕测试力学性能，电化学工作站评估耐腐蚀性，并结合X射线光电子能谱(XPS)分析元素化学状态。

薄膜成分
随着F_N增加，氮含量从0 at.%升至15.2 at.%，而金属元素比例相应降低。XPS证实Nb-N键的形成，且Nb-N均匀分布无偏析，这为固溶强化奠定了基础。

结论
研究发现：(1)Nb-N固溶使晶粒尺寸从微米级细化至纳米级，并在晶界形成非晶区；(2)薄膜保持面心立方(FCC)结构，硬度最高达9.48 GPa，磨损率最低为1.01×10^?6 mm/N·m；(3)在3.5 wt% NaCl溶液中表现出与304不锈钢相当的耐蚀性。该研究首次实现了3d-HEA薄膜强度与耐蚀性的协同提升，为难熔金属-间隙原子协同强化设计提供了范例。

讨论
相比传统Cr-N偏析体系，Nb-N固溶策略避免了耐蚀性劣化问题。该成果的创新性在于：(1)通过Nb-N原子簇实现晶界强化；(2)证实FCC结构可兼容高氮含量；(3)建立了工艺-结构-性能的关联模型。未来可进一步探索其他难熔金属-间隙原子组合的强化效果，推动HEA薄膜在极端环境中的应用。

作者贡献
Yantao Li完成实验与初稿，Xin Jiang负责课题设计与论文修订，团队获得国家自然科学基金等项目的支持。该研究为开发兼具高强度、耐磨和耐蚀的HEA涂层开辟了新途径。