作為合金材料界的新秀，高熵合金的問世打破了傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)理念，將多種元素等摩爾比固溶在一起，理論上獲得原子排列有序而元素排列無序的結(jié)構(gòu)。相比較于傳統(tǒng)合金，高熵合金的高混合熵降低了系統(tǒng)的吉布斯自由能，抑制了金屬間化合物有序相的生成，促進(jìn)簡單固溶體結(jié)構(gòu)甚至非晶相的形成。目前，高熵合金氮化物薄膜由于在Cu互連擴(kuò)散阻擋層中的廣泛應(yīng)用，已成為微電子工業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。此外，其作為刀具涂層使用可同時(shí)滿足高硬度、抗氧化和耐腐蝕的要求。磁控濺射技術(shù)是制備高熵合金氮化物薄膜最常用的技術(shù)手段。然而，傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)由于其較低的金屬離化率，所制備的涂層往往具有疏松的柱狀晶結(jié)構(gòu)和微孔，降低了高熵合金氮化物薄膜的性能。

 　　近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所鍍層工藝力學(xué)及摩擦學(xué)課題組長期從事高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HiPIMS）研究，探索高密度等離子體的發(fā)生、傳輸及沉積的力學(xué)過程，以及形成極端環(huán)境適應(yīng)性涂層的結(jié)構(gòu)與性能的控制技術(shù)。課題組基于SRIM粒子濺射模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)了AlCrTiVZr高熵合金靶材。在此基礎(chǔ)上，通過HiPIMS技術(shù)制備高熵氮化物涂層，系統(tǒng)研究了氮?dú)饬髁繉?duì)等離子體沉膜環(huán)境、涂層微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能以及摩擦學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制。涂層沉積中高達(dá)100A的峰值電流顯示了高熵氮化物涂層沉積過程中高密度的等離子體沉膜環(huán)境。通過利用高密度等離子體加強(qiáng)高能粒子轟擊效應(yīng)以及涂層表面沉積粒子的遷移率，涂層晶粒細(xì)化（≤15nm），納米硬度高達(dá)41.3GPa，達(dá)到超硬水平，而磨損率則低至2.3×10-7mm3/Nm，所制備的（AlCrTiVZr）N涂層呈現(xiàn)單一的FCC固溶體結(jié)構(gòu)，且微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出從無定形致密的非晶或納米晶態(tài)到柱狀晶的連續(xù)變化。該工作提出超硬高熵合金氮化物涂層的概念，所制備的AlCrTiVZr高熵合金氮化物涂層有望在航空發(fā)動(dòng)機(jī)抗沖刷涂層和鈦合金切削刀具涂層中得到重要應(yīng)用，同時(shí)也為HiPIMS技術(shù)在制備高熵合金薄膜中的應(yīng)用起到了推動(dòng)作用。

 　　相關(guān)研究成果以Synthesis and characterization of super-hard AlCrTiVZr high-entropy alloy nitride films deposited by HiPIMS為題近日發(fā)表在Applied Surface Science上。力學(xué)所助理研究員許億是論文第一作者，研究員夏原、副研究員李光為通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)的資助。 

HiPIMS技術(shù)制備超硬AlCrTiVZr高熵合金氮化物涂層