关键词：
高熵合金
ZrNbTiMo薄膜
微观结构
耐磨损性能
耐氧化性能
摘要：
高熵合金薄膜作为一种新型的合金薄膜材料,因其优异的性能受到了国内外学者的广泛关注。本文使用磁控溅射技术制备了ZrNbTiMo高熵合金薄膜,研究了不同基底偏压和溅射功率对ZrNbTiMo高熵合金薄膜化学成分、形貌结构、物相组成、力学性能和摩擦学性能的影响,讨论了ZrNbTiMo薄膜的生长机理和耐磨损机理。通过高温氧化测试,研究了不同氧化温度对具有最佳力学和摩擦学性能组合的ZrNbTiMo高熵合金薄膜的微观结构、力学性能和耐氧化性能的影响,讨论了ZrNbTiMo薄膜的氧化规律。主要的研究内容如下:（1）不同基体偏压对ZrNbTiMo薄膜的结构、性能影响研究表明:随着偏压从0增加到-100 V,溅射阴影效应消除、离子轰击效应和原子扩散能力增强,ZrNbTiMo薄膜截面从细纤维结构向致密的柱状结构转变,表面粗糙度从3.9下降到2.0 nm;薄膜整体呈现单相BCC结构,增强的离子轰击效应增加了薄膜的应变能,薄膜的优先取向逐渐从（110）向（200）转变;薄膜结构的逐渐致密化使得ZrNbTiMo薄膜的纳米硬度从6.8提升至14.8 GPa,压缩残余应力增加至-0.85 GPa;-100 V下制备的薄膜具有最佳的附着力（15.1 N）和断裂韧性(0.96 MPa×m1/2)。随着偏压增加到-200 V,离子轰击效应加剧了离子对薄膜的刻蚀,表面粗糙度增加到4.1 nm,此外,离子轰击效应还导致薄膜中出现大量晶体缺陷,薄膜截面转变为不规则的层状结构;薄膜硬度进一步提升至21.3 GPa,残余应力向拉应力转变,薄膜附着力下降。摩擦结果表明,在低偏压（-100 V）下沉积的薄膜具有良好的耐磨损性能(磨损率为2.05×10-6mm3/N·m),这归因于ZrNbTiMo薄膜独特的“柱间滑动变形机制”,薄膜的磨损机制主要为塑性变形,并伴少量氧化磨损特征。（2）不同溅射功率对ZrNbTiMo薄膜的结构、性能影响研究表明:随着功率从90增加到150 W,沉积原子动能增加、扩散能力增强,ZrNbTiMo薄膜截面从细纤维结构向致密的柱状结构转变;ZrNbTiMo薄膜具有BCC型纳米晶结构,由于增加的沉积原子扩散能力促进了纳米晶粒生长,薄膜的结晶度从13.0增加到20.1%,平均晶粒尺寸从2.6增加到15.3 nm;纳米晶结构所诱导的“复合断裂模式”改善了薄膜韧性,其中-150 W下制备的薄膜具有最佳的断裂韧性(0.44 MPa×m1/2),并且该薄膜的附着力和压缩残余应力分别为12.2 N和-0.56 GPa。随着功率进一步增加到210 W,增加的沉积速率限制了沉积原子的扩散,ZrNbTiMo薄膜截面向细纤维结构转变,结晶度降低至2.4%;薄膜的残余应力向拉应力转变、韧性和附着力均明显降低,薄膜的硬度几乎保持不变（7.0±0.5 GPa）。摩擦结果表明,在150 W下沉积的薄膜具有良好的耐磨损性能(磨损率为5.22×10-7mm3/N·m),这归因于ZrNbTiMo薄膜中纳米晶结构,薄膜韧性改善,磨损过程中裂纹的扩展得到缓解,薄膜的磨损机制主要为疲劳磨损,并伴少量磨粒磨损特征。（3）选择150 W和-100 V下沉积的ZrNbTiMo薄膜用于耐氧化性能测试,不同氧化温度对薄膜结构、性能的影响研究表明:随着温度从RT增加到600℃,氧原子逐渐向ZrNbTiMo薄膜内部扩散,薄膜表面的氧含量从5.10增加到70.86 at.%,薄膜的氧化程度增加;薄膜从RT下的单相BCC结构转变为400℃下的非晶结构,最后在600℃下检测出具有ZrO2,Nb2O5以及Zr（MoO4）2物相特征的衍射峰,氧化物的大量生成使得ZrNbTiMo薄膜表面粗糙度从2.10增加至50.59 nm,薄膜厚度从1.20膨胀到3.13μm。经过600℃氧化后,薄膜截面从致密的柱状结构转变为疏松多孔的分层结构,这导致薄膜韧性下降,附着力从12.5下降到4.6 N;氧化动力学分析表明,ZrNbTiMo薄膜在Rt—600℃下的氧化活化能（Ea）为51.6 k J/mol,在600℃下的氧化速率常数（k_o）为6.34E-9 g2/cm4/s。
