钼含量梯度调控的TiVZrNbMo高熵合金薄膜摩擦磨损性能研究

为解决钛合金硬度低、耐磨性差的问题，研究人员通过磁控溅射制备了成分梯度TiVZrNbMo高熵合金(HEA)薄膜，系统研究了Mo含量对微观结构、力学性能及摩擦学行为的影响。结果表明，33 at.% Mo含量的薄膜硬度达9.5 GPa，磨损率低至2.8×10-6 mm3/(N·m)，梯度结构有效缓解了薄膜与基体的模量失配，为钛合金表面强化提供了新思路。

　　

钛合金因其优异的比强度和耐腐蚀性，在航空航天和海洋工程领域不可或缺。然而，其低硬度和弱加工硬化能力导致表面易发生塑性剪切和粘着磨损，严重制约了使用寿命。传统的高硬度高熵合金(High-Entropy Alloy, HEA)薄膜虽能提升耐磨性，但硬度与韧性的失衡常引发界面剥离。如何通过微观结构设计实现性能协同优化，成为当前研究的瓶颈问题。

针对这一挑战，广东某研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，创新性地采用磁控溅射技术制备成分梯度TiVZrNbMo HEA薄膜。通过调控钼(Mo)含量梯度，实现了从基体到薄膜的弹性模量连续过渡，同时利用Mo的固溶强化和晶粒细化效应提升综合性能。研究采用TA2钛合金为基底，通过TiZrVNb和纯Mo靶材共溅射构建梯度薄膜，结合X射线衍射(XRD)、纳米压痕和摩擦磨损测试系统表征性能。

化学组成分析显示薄膜表面元素分布均匀，Mo含量梯度变化范围为15-33 at.%。微观结构表征证实所有薄膜均为纳米晶体BCC(体心立方)结构，Mo含量增加使晶粒尺寸从35.2 nm减小至28.6 nm，晶格常数由3.28 ?降至3.21 ?，表明Mo有效促进晶格畸变和固溶强化。力学性能测试表明，33 at.% Mo的薄膜硬度达9.5 GPa，弹性模量梯度变化缓解了界面应力集中，界面结合强度提升27%。摩擦学实验显示最优成分薄膜磨损率仅为2.8×10^-6 mm³/(N·m)，磨损机制从粘着磨损转变为轻微磨粒磨损。

该研究通过成分梯度设计实现了HEA薄膜强韧协同优化，阐明了Mo含量-微观结构-性能的构效关系。梯度结构不仅解决了硬质薄膜与钛基体的模量失配问题，其连续变化的力学性能更可抑制裂纹扩展，为开发新一代钛合金防护涂层提供了理论依据和技术路径。研究成果对航空航天关键部件的寿命提升具有重要工程价值，同时为多组元合金的梯度设计范式拓展了思路。