退火温度对钛基高熵金属玻璃的结构和力学性能的影响

《Vacuum》：Annealing temperature-induced variations in structure and mechanical attributes of Ti-based high-entropy metallic glass

本研究采用高熵合金概念设计Ti47.3V25Zr11Nb14Ta2Mo0.5B0.2合金薄膜，通过磁控溅射制备并系统研究不同退火温度（573-1073K）对微观结构、表面形貌及力学性能的影响。结果表明，退火温度影响原子排列有序性及扩散行为，导致硬度、模量等性能非线性变化，为高熵合金薄膜优化提供了实验依据。

　　本文探讨了一种基于“高熵概念”设计的Ti_47.3V₂₅Zr₁₁Nb₁₄Ta₂Mo_0.5B_0.2高熵金属玻璃（HEMG）薄膜的制备与热稳定性研究。研究通过磁控溅射技术制备了HEMG薄膜，并结合真空退火实验，系统评估了不同退火温度对薄膜结构、表面形貌及机械性能的影响。实验结果表明，退火温度的变化显著影响了薄膜的微观结构与性能表现。随着退火温度的升高，薄膜的原子排列从有序逐渐向无序发展，但在一定温度范围内又出现了结构重新有序的趋势。这一现象为理解高熵金属玻璃的热稳定性提供了新的视角。

高熵金属玻璃因其独特的结构特性而备受关注。它们的原子排列呈现出长程无序和短程有序的结合，这种结构能够有效阻碍被轰击离子的扩散路径，从而表现出优异的抗辐射性能。此外，由于缺乏晶界、位错等缺陷，高熵金属玻璃还展现出良好的抗腐蚀能力。然而，高熵金属玻璃在热力学上属于亚稳态结构，当受到退火处理时，容易发生玻璃化或晶化转变，这不仅会影响其机械性能，还可能使其在机械变形或高压条件下变得脆弱，限制了其在实际应用中的发展。为解决这一问题，近年来研究者们将高熵合金（HEAs）的特性引入高熵金属玻璃的制备中，期望通过高熵效应、晶格畸变和缓慢扩散效应来增强其热稳定性。

高熵合金通常由至少五种主要金属元素组成，其高混合熵能够显著提高固溶体在高温下的稳定性。然而，这种高熵效应也可能导致晶格畸变加剧，从而减缓相变过程。研究发现，通过引入高熵合金的特性，可以有效降低高熵金属玻璃在高温下的晶化倾向，提升其热稳定性。例如，某些高熵金属玻璃在退火温度达到1100 K时仍能保持非晶态，显示出极高的热稳定性。此外，一些高熵金属玻璃表现出较高的硬度和弹性模量，以及良好的塑性变形能力，这些性能使其在多种工业领域具有广阔的应用前景。

磁控溅射技术作为一种非平衡气固沉积方法，近年来在高熵金属玻璃薄膜的制备中展现出独特的优势。与传统的快速淬火法相比，磁控溅射能够生成更广泛的成分范围，并且在沉积过程中，靶材原子在高能离子轰击下被抛射，随后在基底上与基底原子发生强烈相互作用，形成更致密的结构。这种结构不仅提升了薄膜的机械性能，还改善了其热稳定性。例如，一些研究团队利用磁控溅射技术成功制备了具有优异机械性能的高熵金属玻璃薄膜，其硬度可达到12.3 GPa，弹性模量达到159 GPa，表现出显著的增强效果。此外，磁控溅射还能生成具有高密度纳米孪晶结构的薄膜，进一步提升了其抗疲劳性能。

然而，目前关于高熵金属玻璃薄膜的研究大多集中在含有重元素（如Ta、W等）的体系上，而以轻质金属（如Ti、Al、Mg等）为主要成分的高熵金属玻璃薄膜研究仍较为有限。这主要是由于轻质金属的熔点较低，且在高温环境下容易发生结构变化，限制了其在高熵金属玻璃中的应用。因此，本文选择Ti作为基础元素，结合Al、Mg等轻质金属，设计并制备了一种新型的高熵金属玻璃薄膜。该合金的成分设计基于最新的研究进展，旨在提升其热稳定性和机械性能，从而拓展其在高要求应用中的潜力。

在实验方法方面，本文采用了粉末冶金技术制备了纯度为99.9 wt.%的Ti_47.3V₂₅Zr₁₁Nb₁₄Ta₂Mo_0.5B_0.2合金块体，随后将其加工成直径为50 mm、厚度为5 mm的圆形靶材。薄膜沉积过程采用磁控溅射技术，确保在沉积过程中保持高真空环境（1.3 × 10^-3 Pa），以减少杂质气体的引入。同时，采用高纯度（99.99%）的惰性气体氩气作为溅射气氛，进一步提高薄膜的质量。通过能量色散光谱（EDS）分析，验证了薄膜的成分分布是否符合预期设计。

在结果与讨论部分，本文详细分析了不同退火温度对薄膜结构和性能的影响。通过X射线衍射（XRD）分析发现，随着退火温度的升高，薄膜的原子排列逐渐变得更加无序，但在超过973 K时，纳米晶相开始出现，表明退火温度对薄膜的玻璃化状态具有显著影响。此外，退火温度的变化还影响了薄膜的表面形貌。在较低温度下，薄膜表面粗糙度有所降低，但随着退火温度的升高，粗糙度再次增加。这一现象主要归因于退火温度对表面原子扩散能的影响，温度升高促进了表面原子的扩散，从而改变了薄膜的表面形状和原子排列。

在机械性能方面，退火温度的变化对薄膜的硬度和弹性模量产生了显著影响。随着退火温度的升高，硬度和弹性模量呈现出非线性变化趋势。在573 K时，薄膜的硬度和弹性模量达到峰值，而在623 K时，这两项性能出现下降，与之前的趋势形成对比。这种变化表明，退火温度对薄膜的内部原子排列和结构稳定性具有复杂的影响。在623 K时，薄膜中出现了较少的类晶体区域，这说明退火温度对内部有序性的控制具有重要意义。此外，退火温度的升高还导致了薄膜表面粗糙度的变化，这与表面原子扩散能密切相关，表明退火温度不仅影响薄膜的微观结构，还对表面特性产生重要影响。

本文的研究不仅提供了实验上的支持，还从理论上解释了高熵金属玻璃微观结构与机械性能之间的内在联系。通过系统分析不同退火温度对薄膜结构和性能的影响，研究揭示了高熵金属玻璃在热稳定性方面的关键因素。这为后续高熵金属玻璃体系的优化和设计提供了重要的理论依据，同时也为拓展其在实际应用中的潜力奠定了基础。研究结果表明，磁控溅射技术在高熵金属玻璃薄膜的制备中具有显著优势，能够有效提升其热稳定性和机械性能。此外，成分设计的优化也对提升薄膜的性能起到了关键作用。

在实际应用中，高熵金属玻璃薄膜因其优异的机械性能和热稳定性，被认为在多个领域具有广阔的应用前景。例如，在航空航天、核能、生物医学等高要求领域，这些薄膜可以作为关键材料，用于制造耐高温、耐腐蚀、高强度的部件。然而，当前的研究仍面临一些挑战，如如何进一步提升其玻璃形成能力，以及如何在不同退火条件下保持其结构稳定性。因此，未来的研究需要更加深入地探讨高熵金属玻璃薄膜的结构演化机制，以及如何通过优化成分和退火条件来提升其性能。

此外，本文的研究还强调了高熵金属玻璃薄膜在轻质金属体系中的潜力。与传统的高熵合金相比，轻质金属体系的高熵金属玻璃薄膜不仅具有更低的密度，还可能在特定条件下表现出更高的强度和更好的热稳定性。这为开发新型轻质高熵金属玻璃材料提供了新的思路。然而，轻质金属体系的高熵金属玻璃薄膜在制备过程中面临一些技术难题，如如何控制其玻璃形成能力，以及如何在高温环境下保持其非晶态结构。因此，未来的研究需要在这些方面进行进一步探索。

本文的研究成果不仅对高熵金属玻璃薄膜的制备和性能优化具有重要意义，也为相关材料的理论研究提供了新的方向。通过系统的实验分析和理论探讨，研究揭示了退火温度对高熵金属玻璃薄膜结构和性能的影响机制，为后续的材料设计和应用提供了重要的参考。此外，研究还强调了磁控溅射技术在高熵金属玻璃薄膜制备中的优势，为该技术在实际生产中的应用提供了实验支持。这些发现对于推动高熵金属玻璃材料的发展具有积极的促进作用。

总之，本文通过实验与理论相结合的方法，系统研究了高熵金属玻璃薄膜的热稳定性及其结构和性能的变化规律。研究不仅验证了高熵合金的特性在高熵金属玻璃中的应用潜力，还为轻质高熵金属玻璃薄膜的设计与制备提供了新的思路。通过优化成分和退火条件，可以显著提升高熵金属玻璃薄膜的热稳定性和机械性能，使其在多个高要求领域中具有更广泛的应用前景。未来的研究可以进一步探索高熵金属玻璃薄膜的结构演化机制，以及如何通过不同的制备方法来提升其性能，从而推动这一新兴材料领域的发展。