脉冲长度与N2流量对HiPIMS制备CrxN涂层的协同调控机制及性能优化研究

为解决传统PVD技术制备CrxN涂层时存在的离子通量不足、结构疏松等问题，哈尔滨工业大学等机构研究人员通过高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术，系统探究了脉冲长度（50/100?μs）与N2流量（5–35?sccm）对涂层微观结构及性能的影响。研究发现短脉冲模式（50?μs）可有效抑制靶材中毒，提升离子轰击密度，使涂层硬度达40.8?GPa并显著增强耐腐蚀性；而长脉冲模式（100?μs）在低N2流量下通过高峰值电流实现性能优化。该研究为HiPIMS参数调控提供了理论与实践指导，对航空航天、核工程等领域高性能涂层开发具有重要意义。

　　

在航空航天、核工程等尖端领域，对兼具超高硬度和卓越耐腐蚀性的涂层材料需求日益迫切。铬氮化物（Cr_xN）涂层因其优异的机械性能备受关注，但传统物理气相沉积（PVD）技术如直流磁控溅射（DCMS）和阴极弧蒸发（CAE）存在固有缺陷：DCMS因电离率低导致涂层呈多孔柱状结构，硬度仅15–18?GPa；CAE虽能提高硬度却会引入宏观颗粒污染。这些技术瓶颈的核心在于等离子体密度不足，而非材料本身性能局限。高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术的出现为这一难题带来转机，其通过超高电离率可制备致密光滑的涂层，但关键参数如脉冲长度与反应气体流量的协同调控机制尚不明确。

哈尔滨工业大学等机构的研究人员在《Surface and Coatings Technology》发表论文，通过对比长脉冲（100?μs）与短脉冲（50?μs）模式在不同N₂流量（5–35?sccm）下的放电特性，揭示了脉冲参数与反应气体流量对Cr_xN涂层性能的调控规律。研究采用定制化多功能等离子体沉积系统，结合放电电流波形分析、X射线衍射（XRD）和电化学测试等技术，系统评估了涂层的成分、晶体结构及性能。

Coating fabrication
实验采用304不锈钢基板，通过HiPIMS技术在恒定平均功率（0.6?kW）和占空比（3%）条件下沉积Cr_xN涂层。研究团队特别设计了气体预混系统以精确控制Ar/N₂比例，确保反应气体均匀性。

Discharge characteristics
电流波形分析显示，短脉冲模式在25?μs后电流骤降，而长脉冲模式在高N₂流量下呈现明显衰减，这与靶材中毒效应相关。短脉冲通过快速截止有效抑制了靶面氮化物积累，维持了高离子轰击密度；长脉冲则在低N₂流量下通过延长等离子体维持时间提升峰值电流。

Conclusion
短脉冲模式在宽泛的N₂流量范围内均能获得高密度涂层，硬度达40.8?GPa且腐蚀电流密度降低一个数量级；长脉冲模式仅在低N₂流量（5–15?sccm）时展现优势，因其减少了靶材中毒并利用高能金属离子优化涂层生长。该研究首次阐明了HiPIMS脉冲长度与反应气体流量的动态耦合机制，为核反应堆冷却系统等极端环境下的涂层设计提供了参数优化范式。

这项工作的创新性在于突破了传统HiPIMS研究仅关注纯金属溅射的局限，揭示了反应性溅射中脉冲参数与气体化学的交互作用。研究提出的"脉冲长度-气体流量"协同调控策略，不仅适用于Cr_xN体系，还可推广至其他过渡金属氮化物涂层开发，对推动高性能防护涂层的工业化应用具有里程碑意义。