【48812】西南交大《Scripta Mater》：强韧一体化高熵纳米复合薄膜！

  高熵合金薄膜以其优异的归纳功能十分重视，在太空、极地、深海勘探等范畴具有宽广的使用远景。相较于传统陶瓷薄膜，高熵合金薄膜的硬度比较来说较低，因而在冲突学范畴的使用存在必定的约束。本文根据资料纳米复合结构构成热力学原理，经过组元合理规划，制备了(CuNiTiNbCr)Nx纳米复合薄膜。在薄膜成长过程中，引进的N原子与Ti、Nb、Cr等强氮结合元素反响构成 (TiNbCr)N相（随同Cu和Ni偏析），高熵薄膜的结构从非晶态转变为富Cu、Ni的非晶态基体+(TiNbCr)N纳米晶相的纳米复合结构。纳米复合(CuNiTiNbCr)Nx高熵薄膜具有高硬度、高耐性和优异的耐磨损功能，在极点环境磨损防护范畴具有十分杰出的使用远景。

  跟着航空航天、深海和极地勘探范畴的开展，机械系统已使用于极冷极热、高辐射和高腐蚀等环境。在极点环境下，传统润滑油无法有用发挥作用，导致机械系统的中心部件易产生磨损失效等毛病。虽然TiN、CrN等传统硬质维护薄膜已被用来延伸机械零件的寿数，但陶瓷薄膜的高剩余应力以及高脆性会导致其在极点环境中使用时易产生失效。高熵合金薄膜是一种新型资料，含有四种或四种以上的首要元素，具有简略的固溶体结构或非晶结构。高熵合金的四个中心效应使其具有高强度、耐磨损、耐腐蚀、耐辐射和耐高温氧化的特色。可是，高熵合金薄膜的硬度通常远低于传统的硬质陶瓷涂层，尚无法担任高速重载等苛刻的冲突工况。在坚持高熵合金薄膜杰出塑耐性的前提下进一步提高其硬度和耐磨功能，对高熵薄膜的实践防护使用至关重要。本研讨提出了一种完成高熵薄膜强韧一体化的有用战略。该战略经过在高熵合金基体中原位分出纳米陶瓷增强相，构成纳米复合结构，然后提高高熵薄膜的力学和冲突学功能。因而，本研讨根据元素之间混合焓的差异性，规划了CuNiTiNbCr高熵合金薄膜系统,其间Ti、Nb、Cr等具有较高氮亲和性的元素易与N反响构成陶瓷相，而Cu、Ni等与氮亲和性较弱的元素则不会与N反响，生成金属软相。选用高功率脉冲磁控溅射技能(HPPMS)并经过调理氮气流量，成功制备了(CuNiTiNbCr)Nx 纳米复合高熵薄膜。一起，经过XRD、TEM与分子动力学模仿等手法验证了其纳米复合结构，并经过纳米压痕、维氏压痕以及冲突磨损测验验证了其强耐性与耐磨功能方面的超卓体现。

  图1 (a)成分(b) GI-XRD和(c)在不同氮气流速下堆积的高熵薄膜的横截面形状

  图5 (a) (CuNiTiNbCr)Nx高熵薄膜和TiN薄膜的纳米硬度和压痕模量，(b) 维氏压痕描摹和(c) 磨损率，(c)内部为HEFs-6sccm样品磨痕的三维描摹和二维概括

  咱们在CuNiTiNbCr高熵合金系统中引进了N原子，研讨了氮含量对高熵薄膜的结构、化学状况、力学功能和冲突学功能的影响。经过MD模仿得到(CuNiTiNbCr)N 高熵薄膜能量最低的原子构型，以验证薄膜中纳米复合结构的构成。成果显现，跟着氮气流速的添加，高熵薄膜的结构从非晶结构转变为非晶+纳米晶的纳米复合结构，这一复合结构包含FCC结构的(TiNbCr)N相和富集Cu与Ni的非晶相。MD模仿进一步验证了Ti、Nb、Cr和N的集合以及Cu和Ni的集合是热力学安稳的结构。终究取得的纳米复合高熵薄膜具有高硬度、杰出的耐性和优异的耐磨性。本研讨为高功能高熵薄膜在苛刻环境下的结构规划和制备供给了全新的思路和途径。