非晶/纳米晶多层薄膜调制结构的可控制备及摩擦损伤机制研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Research on the Controllable Fabrication of Amorphous/Nanocrystalline Multilayer Film Modulation Structures and the Tribological Damage Mechanism

　　

本研究突破了传统耐磨薄膜的单一强化模式，利用磁控溅射构建了兼具强度与韧性的非晶/纳米晶多层薄膜体系，为球面滑动轴承表面的磨损防护提供了新方案。通过系统调节多层薄膜的调制比，研究人员从微观结构演变和应力分布两方面揭示了摩擦学性能的耦合增强机制。研究发现，残余应力状态以及非晶相与纳米晶相的分布对摩擦磨损行为具有决定性作用。非晶相凭借其优异的韧性和应力缓冲能力，在循环加载下有效钝化微裂纹扩展；纳米晶相作为硬质骨架，通过晶界强化和弥散强化提供高承载能力；高密度清晰异质界面成为应变能耗散的关键路径，通过界面剪切滑移和应力重新分布延缓薄膜失效。测试结果表明，薄膜（2#）具有最高硬度（6.514 GPa）和适中的残余压应力，其磨损率较薄膜（1#）和（3#）分别降低28.7%和22.1%，展现出优异的摩擦稳定性。基于此，本研究建立了“应力调控-结构优化-性能协同”的一体化设计策略，为开发高可靠性球面滑动轴承耐磨薄膜提供了新的理论依据和技术途径。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
随着现代海洋工程装备向深水化发展，其关键部件——尤其是球面滑动轴承——的工作条件日益严苛，长期承受复杂载荷和高接触应力。这对轴承表面防护涂层的机械承载和摩擦学性能提出了极高要求：涂层不仅需具备高硬度以抵抗塑性变形，还需拥有优异韧性以抑制裂纹萌生与扩展，同时在长期摩擦过程中保持低磨损率和稳定摩擦系数。然而，传统单组分或均质薄膜常面临性能瓶颈，高硬度材料往往伴随高脆性和弱界面结合，在循环应力下易过早失效，无法同时满足高承载、低磨损和长寿命的工程需求。为克服这一局限，利用磁控溅射技术制备的非晶/纳米晶周期调制多层薄膜展现出显著的结构与性能优势。通过系统调控多层薄膜的调制比（即调制周期），可实现薄膜内相组成、界面密度、内应力分布及相间耦合机制的精确控制，从而有效减少摩擦过程中的损伤。本研究旨在阐明调制比（Ti层与高熵合金层的厚度比）、界面密度、层厚梯度和内应力状态对多层薄膜摩擦学性能的调控机制，并筛选出最佳摩擦学性能的调制比组合，为高载荷、长寿命球面滑动轴承防护薄膜的设计与制备提供理论依据和工艺指导，也为开发具有可定制摩擦学性能的纳米多层薄膜材料提供新思路和实验基础。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用直流磁控溅射（DC magnetron sputtering）在42CrMo关节轴承钢基体上制备Ti/CoCrFeNi高熵合金多层薄膜，通过改变Ti亚层沉积时间获得三种不同调制比（1#薄Ti层、2#中Ti层、3#厚Ti层），总层数固定为5层，总厚度约2 μm。利用原子力显微镜（AFM）表征表面形貌与粗糙度，扫描电子显微镜（SEM）与能谱仪（EDS）分析截面形貌、元素分布及磨损形貌，X射线衍射（XRD）分析整体相结构，透射电子显微镜（TEM）与选区电子衍射（SAED）深入表征微观结构、相分布及界面特征。力学性能通过纳米压痕（Berkovich金刚石压头，准静态位移控制模式）测量硬度，薄膜应力测试仪（FST1000，激光高精度单线扫描）结合Stoney公式计算残余应力，摩擦磨损性能采用多功能摩擦磨损试验机（MPT-3G，球盘式，6 mm GCr15钢球对磨，载荷1 N，转速100 r/min，时间600 s）评估。

**研究结果**

**3.1 制备样品的微观结构**
通过XRD分析发现，所有薄膜均呈现非晶/纳米晶复合结构，衍射峰对应FeCr、Cr₃Ni₂和Co₃Ti相，并在42–46°范围内存在非晶波动。AFM表面形貌显示，薄膜（1#）、（2#）和（3#）的表面粗糙度（Ra）分别为2.425 nm、2.671 nm和2.859 nm，随Ti层厚度增加而增大，归因于应力积累导致的微观起伏。SEM截面图像证实所有薄膜均为致密、连续的层状结构，界面清晰，Ti层分布均匀，表明稳定的周期性堆叠。

**3.2 薄膜的相组成与可控制备分析**
TEM分析（以薄膜2#为例）表明，薄膜主体为非晶相，选区电子衍射呈现典型非晶衍射环，同时分布离散衍射斑点，证实同时存在纳米晶相，形成非晶-纳米晶复合结构。高分辨TEM揭示高熵合金层主要为非晶，Ti层中分布均匀尺寸的纳米晶区域，且界面形貌沿生长方向呈现梯度演变：下部Ti层界面较平直，上部Ti层界面逐渐出现波纹状起伏，表明多层膜生长过程中界面应力积累导致变形。EDS元素面扫显示Co、Cr、Fe、Ni、Ti均匀分布无偏析，Ti层呈周期性层状分布，验证了严格的周期调制。进一步分析表明，界面应力诱导局部结晶，形成Co₃Ti亚稳金属间化合物，同时应力还导致纳米级空位形成，加剧晶体缺陷传播。

**3.3 薄膜的力学性能**

**3.3.1 纳米压痕测试结果**
纳米压痕测试显示，薄膜（1#）、（2#）和（3#）的平均硬度分别为6.260 GPa、6.514 GPa和6.347 GPa，硬度随调制比呈非单调变化。薄膜（2#）硬度最高，归因于非晶-纳米晶双相结构的协同效应：非晶/纳米晶异质界面抑制裂纹扩展，非晶相无序结构和高应变率改善塑性，纳米晶区域细小晶粒提供大量晶界和位错阻碍位错运动。

**3.3.2 残余应力**
残余应力测试（16次重复测量平均值）显示，薄膜（1#）、（2#）和（3#）的平均残余压应力分别为-9.246 GPa、-8.134 GPa和-6.835 GPa，随Ti层增厚（调制周期增大）而减小。这一趋势主要归因于：Ti层增厚降低异质界面密度，界面失配位错储存压应力能力减弱；同时较厚Ti层增加韧性纳米晶相比例，通过局部塑性变形进一步松弛压应力。但压应力降低的同时，界面密度减少导致晶格失配引起的局部拉应力逐渐积累，易诱发微裂纹成核与扩展。

**3.4 摩擦学性能测试**
摩擦系数（COF）曲线显示，薄膜（2#）在稳定阶段COF最低且最平稳，薄膜（1#）和（3#）初始阶段波动大，后期不稳定且COF偏高。磨损率计算表明，薄膜（1#）平均磨损率为7.61×10^-5 mm³N^-1m^-1，薄膜（2#）为5.43×10^-5 mm³N^-1m^-1，薄膜（3#）为6.97×10^-5 mm³N^-1m^-1，薄膜（2#）磨损率最低，较（1#）和（3#）分别降低28.7%和22.1%。SEM与EDS分析磨损形貌：薄膜（1#）沿磨损方向大面积剥落，Fe基体暴露，表明接触失效；薄膜（2#）部分区域剥落但残留薄膜表面有细磨屑聚集形成的复合层，起到润滑作用，使磨损从严重转为轻微；薄膜（3#）出现局部分层失效，磨屑聚集区边缘及下方存在明显裂纹，表明在循环载荷下由应力集中和界面弱化导致的分层损伤。

**讨论与结论**
讨论部分综合分析了不同调制比下薄膜的磨损行为规律。薄膜（1#）因过大的残余压应力（-9.246 GPa）降低断裂韧性，在循环摩擦载荷下优先诱发微裂纹扩展和表面剥落。薄膜（2#）凭借适中的残余压应力（-8.134 GPa）与均匀分布的非晶/纳米晶两相结构实现最佳匹配：纳米晶相作为硬质增强相阻碍位错运动，非晶相提供韧性和应力缓冲，高密度异质界面通过界面滑移耗散能量，从而获得最优耐磨性。薄膜（3#）因Ti层过厚导致纳米晶相比例升高，摩擦接触时高硬度纳米晶相在剪切应力下易脱离形成大量硬磨粒，加剧磨粒磨损，导致磨损率升高。因此，Ti调制层厚度通过调控残余应力水平和微观相组成，直接决定了薄膜的摩擦学性能。

研究结论如下：
（1）纳米压痕测试结果表明，薄膜硬度随调制周期呈非单调变化。薄膜（1#）、（2#）和（3#）的平均硬度分别为6.260 GPa、6.514 GPa和6.347 GPa。薄膜（2#）硬度最高，归因于其非晶-纳米晶双相结构的协同强化效应：非晶/纳米晶异质界面有效阻碍位错运动，同时非晶相的塑性变形能力在一定程度上协调应力分布。
（2）不同调制周期的多层薄膜残余应力差异显著。薄膜（1#）平均残余应力为-9.246 GPa，薄膜（2#）为-8.134 GPa，薄膜（3#）为-6.835 GPa。这表明残余压应力随调制周期增大（即Ti层增厚）而减小。这一趋势主要归因于两个因素：首先，Ti层增厚降低了异质界面密度，界面失配位错储存压应力能力减弱；其次，较厚Ti层增加了韧性纳米晶相的比例，通过局部塑性变形进一步松弛压应力。然而，在压应力降低的同时，界面密度减少导致晶格失配引起的局部拉应力逐渐积累，这易于诱发微裂纹成核与扩展。
（3）摩擦试验结果表明，薄膜（2#）展现出最低且最稳定的摩擦系数，其磨损率为5.43×10^-5 mm³N^-1m^-1，显著低于薄膜（1#）的7.61×10^-5 mm³N^-1m^-1和薄膜（3#）的6.97×10^-5 mm³N^-1m^-1，分别降低28.7%和22.1%。这表明适中的调制周期能够形成更优化的非晶/纳米晶异质界面密度和相组成，在摩擦过程中实现更高效的能耗散，从而获得最佳耐磨性。
（4）磨损失效机制分析表明，调制周期通过调控残余应力和异质界面密度决定了薄膜的磨损行为。薄膜（1#）调制周期过小，界面密度过高导致残余压应力过大（-9.246 GPa），降低了断裂韧性并诱发微裂纹扩展和表面剥落失效。薄膜（3#）调制周期过大，界面密度过低，摩擦过程中产生大量硬磨屑颗粒，加剧了磨粒磨损和表面损伤。薄膜（2#）凭借适中的调制周期，实现了残余应力与异质界面密度的最佳平衡，非晶相裂纹钝化、纳米晶相承载以及高密度界面应变能耗散的协同机制得以充分发挥，因此展现出优异的抗磨损和抗裂纹扩展能力。