HiPIMS利器新應(yīng)用-高熵合金薄膜制造

高熵合金氮化物薄膜是一種基于高熵合金設(shè)計理念的產(chǎn)物，在熱力學(xué)和動力學(xué)上可以分別具有更低的吉布斯自由能和更小的元素擴散速率，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。獨特的設(shè)計理念以及相結(jié)構(gòu)賦予高熵合金氮化物薄膜超高硬韌性、優(yōu)異耐磨和耐蝕性、超強阻隔性等優(yōu)異的物理性能，在航空航天、交通、能源等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。直流/射頻磁控濺射（DC/RF-MS）是制備高熵合金氮化物薄膜常規(guī)的技術(shù)手段。然而，受限于較低的金屬離化率，DC/RF-MS不僅使薄膜微結(jié)構(gòu)疏松化并惡化了薄膜的性能，也大幅降低了薄膜結(jié)構(gòu)和性能的可控性。因此，為了獲得高性能高熵合金氮化物薄膜，迫切需要一種可提供高密度等離子體環(huán)境并進(jìn)而控制薄膜生長過程的合成技術(shù)。近期，中國科學(xué)家在這方面取得重要進(jìn)展。

(a)  DCMS等離子體發(fā)射光譜；(b) HiPIMS等離子體發(fā)射管光譜，(c)XRD衍射圖譜；                      (d) HiPIMS制備的高熵合金的硬度

研究人員以Al-Cr-Ti-V-Zr-N高熵合金氮化物體系為研究對象，并采用高能脈沖磁控濺射技術(shù)（HiPIMS）構(gòu)建高離化率的高熵合金等離子體成膜環(huán)境。等離子體發(fā)射光譜顯示，HiPIMS等離子體中所有靶材元素均呈現(xiàn)出強烈的離化態(tài)趨勢(a)，而在DCMS等離子體中靶材元素則基本以激發(fā)態(tài)的形式存在(b)。與此同時，HiPIMS制備薄膜過程中輔以基體偏壓技術(shù)，通過等離子體鞘層的調(diào)控直接驅(qū)動等離子體向基體運動，從而實現(xiàn)了對達(dá)到基體表面等離子體能量和通量的控制。研究結(jié)果表明，等離子體能量和通量的增加可顯著增強離子轟擊效應(yīng)，從而促進(jìn)擇優(yōu)形核點和缺陷的產(chǎn)生。同時，薄膜表面沉積粒子的遷移率和刻蝕效應(yīng)也得到進(jìn)一步提高。所制備的（AlCrTiVZr）N薄膜均呈現(xiàn)單一的FCC固溶體結(jié)構(gòu)；在離子轟擊效應(yīng)作用下，其微結(jié)構(gòu)形貌玻璃態(tài)化并呈現(xiàn)（111）晶粒取向擇優(yōu)生長、晶粒尺寸細(xì)化（11.3 nm），表面粗糙度低至0.4 nm。薄膜的硬度在結(jié)構(gòu)強化效應(yīng)、細(xì)晶強化效應(yīng)以邊界強化效應(yīng)共同作用下達(dá)到超硬水平（48.3 GPa）。該研究系統(tǒng)闡述了高熵合金等離子體時空特性-微結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能三者之間的關(guān)系，有效解析了離子轟擊效應(yīng)在高熵合金薄膜生長過程中的作用機制，為高性能的高熵合金氮化物薄膜的設(shè)計和制備提供了線索。

通過中國科學(xué)家的研究,進(jìn)一步挖掘了HiPIMS等離子體技術(shù)在未來更廣泛的應(yīng)用，HiPIMS等離子體技術(shù)也將會在科研以及工業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用。