高熵TiN/ZrN基硬质涂层的化学组分依赖性力学与摩擦学性能研究

为解决传统过渡金属氮化物涂层在高温磨损环境中的性能衰减问题，研究人员采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术制备了TiVCrMoWN、ZrVCrHfWN和ZrVCrMoWN三种高熵氮化物涂层。通过调控氮分压(≥0.15 Pa)获得单相立方结构，发现Zr基涂层因更大晶格尺寸差异(δL)展现更高硬度，而含Mo涂层通过摩擦层形成显著提升室温耐磨性。特别地，ZrVCrMoWN在400℃仍保持优异机械稳定性，为高温工具防护涂层设计提供新思路。

　　

在机械加工和模具制造领域，过渡金属氮化物涂层如TiN和ZrN凭借其高硬度和耐磨损特性长期占据主导地位。然而随着现代工业对极端工况下工具寿命要求的提升，传统二元氮化物涂层在高温环境中的性能衰减问题日益凸显。高熵合金概念的兴起为涂层材料设计开辟了新路径——通过五种以上主元元素的协同作用，可实现更优异的力学性能和热稳定性。但如何精准调控高熵氮化物的化学组分以获得最佳综合性能，仍是困扰研究人员的核心难题。

广东工业大学（原文GDUT-HAS500设备研发单位）的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表的研究中，创新性地提出以晶格尺寸差异(δ_L)作为高熵氮化物性能调控的关键指标。通过高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，团队制备了TiVCrMoWN、ZrVCrHfWN和ZrVCrMoWN三种典型涂层体系，系统研究了氮分压对相结构演变的影响规律，并首次揭示了Mo元素在宽温域摩擦学行为中的双重作用机制。

关键技术方法包括：1)采用镶嵌式靶材设计实现多元素共沉积；2)通过调节氮分压(0.07-0.60 Pa)控制相组成；3)利用XRD和SEM分析微观结构；4)纳米压痕仪测试硬度；5)球-盘摩擦试验评估室温至400℃磨损性能。

【Coating deposition】
研究人员设计独特的镶嵌靶材结构，将Cr、V、Mo等元素以圆柱体形式嵌入Ti/Zr基板，通过HiPIMS技术在WC-TiC-Co硬质合金基底上沉积涂层。该方法产生的离化率>70%的高密度等离子体，确保了涂层致密性和组分均匀性。

【Composition, structure, and mechanical properties】
EDS分析显示随氮分压升高，N含量从32 at.%增至50 at.%。当p(N₂)≥0.15 Pa时，所有涂层均形成单一立方相，ZrVCrHfWN因最大δ_L值(8.7%)获得最高硬度38.5 GPa，较TiVCrMoWN(32.1 GPa)提升20%。断面SEM显示所有涂层均呈现典型柱状晶结构，柱体宽度随氮分压增加而减小。

【Tribological properties】
含Mo涂层在室温下表现出独特优势：TiVCrMoWN和ZrVCrMoWN的摩擦系数分别低至0.45和0.43，磨损率较ZrVCrHfWN降低50%。XPS分析证实摩擦过程中形成了富含MoO₃的润滑层。高温测试揭示ZrVCrMoWN在400℃下仍保持1.8×10^-6 mm³/m·N的超低磨损率，其关键在于Zr-N键的高温稳定性促进了摩擦层的持续再生。

这项研究建立了高熵氮化物组分设计-结构特征-性能调控的完整关联模型，特别是提出的晶格尺寸差异参数δ_L=100√∑c_i(1-a_i/∑c_ia_i)²，为定量预测涂层硬度提供了新工具。发现Mo元素通过"室温润滑-高温稳定"的协同作用机制，突破了传统涂层在宽温域服役的性能瓶颈。该成果不仅为高性能工具涂层开发提供了理论指导，更推动了高熵材料设计从经验探索向理性调控的转变。