Ti6Al4V合金表面AlCuFe和AlCuFeCr薄膜的微观结构与摩擦学性能研究

为解决Ti6Al4V合金耐磨性不足的问题，研究人员通过磁控溅射技术在其表面沉积AlCuFe和AlCuFeCr薄膜，并研究其微观结构与摩擦学特性。结果表明，经700°C热处理后，薄膜形成准晶（QC）相，接触角达98°（AlCuFe）和87°（AlCuFeCr），摩擦系数低至0.15，耐磨性显著提升。该研究为航空航天和生物医学领域的高性能涂层设计提供了新思路。

　　

钛合金Ti6Al4V因其优异的强度、耐腐蚀性和生物相容性，被广泛应用于航空航天和生物医学植入领域。然而，其固有的低硬度和耐磨性限制了在摩擦环境下的长期使用。传统解决方案如氮化钛涂层虽能改善性能，但存在脆性高、成本昂贵等问题。近年来，具有非周期性原子排列的准晶（Quasicrystal, QC）材料因其独特的低摩擦、高硬度特性成为研究热点，但如何通过薄膜技术克服QC材料的本征脆性仍是挑战。

针对这一问题，来自伊朗材料与能源研究中心（Materials and Energy Research Center）的Mohsen Abaei团队在《Results in Surfaces and Interfaces》发表研究，通过磁控溅射在Ti6Al4V表面制备AlCuFe和AlCuFeCr薄膜，并结合热处理诱导准晶相形成。研究发现，薄膜厚度分别为5 μm和4.5 μm，经700°C退火后呈现典型的五面体形貌（QC相特征），XRD检测到Al₆₅Cu₂₀Fe₁₅和Al₁₃Cu₄Fe₃相。接触角测试显示AlCuFe薄膜疏水性更强（98°），摩擦系数低至0.15，与聚四氟乙烯相当。磨损率分析表明，AlCuFeCr涂层的耐磨性最优（3.3×10^-4 mm³/Nm），较基体提升75倍。

研究采用磁控溅射沉积技术，以Al、Cu、Fe、Cr粉末为原料制备靶材，在10^-4 mbar真空环境下沉积薄膜，随后进行700°C/2h氩氢混合气氛退火。通过SEM、AFM分析形貌，XRD鉴定物相，接触角仪和pin-on-disk摩擦磨损仪评价性能。

3.1 薄膜表征
SEM显示AlCuFe薄膜厚度均匀（5 μm），元素分布证实无裂纹；AFM显示表面纳米颗粒尺寸为40-80 nm（平均69.7 nm）。AlCuFeCr薄膜因Cr添加，硬度更高，磨损宽度仅0.44 mm（基体为1.85 mm）。

3.2 摩擦学性能
AlCuFe和AlCuFeCr薄膜的摩擦系数均为0.15，远低于基体（0.35）。磨损机制分析表明，基体以磨粒磨损为主，而薄膜因QC相存在抑制了粘着和氧化磨损。

4. 结论
该研究成功开发出兼具低摩擦和高耐磨的AlCuFe基QC薄膜，其疏水性和机械性能显著优于Ti6Al4V基体。Cr的加入进一步通过形成Al₈Cr₅等硬质相提升性能。成果为航空发动机部件和人工关节等需要长寿命摩擦副的应用提供了新材料选择。