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力學所在超硬高熵合金氮化物薄膜合成研究中取得進展

作者:許億 2020-06-16 10:38 來源:
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  作爲合金材料界的新秀,高熵合金的問世打破了傳統的合金設計理念,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構。相比較于傳統合金,高熵合金的高混合熵降低了系統的吉布斯自由能,抑制了金屬間化合物有序相的生成,促進簡單固溶體結構甚至非晶相的形成。目前,高熵合金氮化物薄膜由于在Cu互連擴散阻擋層中的廣泛應用,已成爲微電子工業關注的焦點。此外,其作爲刀具塗層使用可同時滿足高硬度、抗氧化和耐腐蝕的要求。磁控濺射技術是制備高熵合金氮化物薄膜最常用的技術手段。然而,傳統磁控濺射由于其較低的金屬離化率,所制備的塗層往往具有疏松的柱狀晶結構和微孔,降低了高熵合金氮化物薄膜的性能。 

  中國科學院力学研究所镀层工艺力学及摩擦学课题组长期从事高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)研究,探索高密度等離子體的發生、傳輸及沈積的力學過程,形成極端環境適應性塗層的結構與性能的控制技術。課題組基于SRIM粒子濺射模擬結果,設計了AlCrTiVZr高熵合金靶材。在此基礎上,通過HiPIMS技術制備高熵氮化物塗層,系統研究了氮氣流量對等離子體沈膜環境、塗層微觀結構、機械性能以及摩擦學性能的調控機制。塗層沈積中高達100A的峰值電流顯示了高熵氮化物塗層沈積過程中高密度的等離子體沈膜環境。通過利用高密度等離子體加強高能粒子轟擊效應以及塗層表面沈積粒子的遷移率,塗層晶粒細化(≤15nm),納米硬度高達41.3GPa,達到超硬水平,而磨損率則低至2.3×10-7mm3/Nm,所制備的(AlCrTiVZrN塗層呈現單一的FCC固溶體結構,且微觀結構呈現出從無定形致密的非晶或納米晶態到柱狀晶的連續變化。該工作提出超硬高熵合金氮化物塗層的概念,所制備的AlCrTiVZr高熵合金氮化物塗層有望在航空發動機抗沖刷塗層和钛合金切削刀具塗層中得到重要的應用,同時也爲HiPIMS技術在制備高熵合金薄膜中的應用起到了推動作用。 

  相關研究成果以“Synthesis and characterization of super-hard AlCrTiVZr high-entropy alloy nitride films deposited by HiPIMS”爲題近日發表在Applied Surface Science上。中科院力学所助理研究員许亿是論文第一作者,夏原研究員、李光副研究員为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金和中科院战略先导专项的资助。 

图1 HiPIMS技术制备超硬AlCrTiVZr高熵合金氮化物涂层

 

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