武汉大学《Surf. & Coat. Technol.》| 偏压电压对AlCrNbSiTi高熵合金涂层性能的影响及其强化机制

传统硬质涂层（如氮化物、碳化物）在高速干式切削和难加工材料（如镍基高温合金）的处理中，常面临硬度与韧性之间的固有权衡以及热稳定性不足的问题。高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）作为一种新兴材料体系，通过多主元设计和高构型熵效应，有望形成简单固溶体相而非金属间化合物，从而展现出优异的力学性能和热稳定性。然而，高熵合金涂层微观结构与性能之间的关系及其强化机制尚不明确。（AlCrNbSiTi）N氮化物涂层虽硬度较高，但韧性较差且热膨胀系数与基体差异显著。

来自武汉大学等的研究人员通过电弧离子镀（Arc Ion Plating, AIP）技术制备AlCrNbSiTi高熵合金涂层，系统探究了不同偏压电压对AlCrNbSiTi涂层微观结构、相组成、力学性能及高温氧化行为的影响，阐明其强化与增韧机制，实现硬度与韧性的协同优化。相关成果于2026年1月13日以“The effect of varying substrate bias voltages on the performance of AlCrNbSiTi coatings and its strengthening mechanism”为题发表在《Surface & Coatings Technology》。

样品制备：使用电弧离子镀系统在Si(100)和304不锈钢基体上沉积AlCrNbSiTi涂层。靶材成分为Al:Cr:Nb:Si:Ti = 22:34:11:11:22（原子比）。沉积前对基体进行超声清洗和Ar+等离子体刻蚀。沉积过程中，保持氩气压力为1.5 Pa，沉积时间为30分钟，偏压电压分别为0 V、-50 V、-100 V、-150 V、-200 V和-250 V。

图1. 在不同偏压电压下沉积的AlCrNbSiTi涂层的表面、截面和三维形貌：(a) 0 V，(b) -50 V，(c) -100 V，(d) -150 V，(e) -200 V，(f) -250 V

图2. (a) 在不同偏压电压下沉积的AlCrNbSiTi涂层的化学成分和(b) 厚度和沉积速率

图3. (a) 在不同偏压电压下沉积的涂层的硬度和弹性模量，和(b) H/E和H³/E²比值

图4. 在不同偏压电压下沉积的涂层的磨损轨迹形貌和元素分布

图5. (a) AlCrNbSiTi涂层磨损机制示意图，(b) 涂层磨损率随偏压电压的变化关系，和(c) 硬度和磨损率的对比图

图6. (a) 在不同偏压电压下沉积的AlCrNbSiTi涂层的XRD图谱。在-50 V偏压下沉积涂层的SAED(b)和EDS(c)结果

图7. 在-50 V偏压下沉积的AlCrNbSiTi涂层的(a) HR-TEM图像，(b) FFT图像，(c) 区域A的IFFT和(d) 区域B的IFFT

图8. 在-50 V偏压下沉积的AlCrNbSiTi涂层的表面形貌：(a) 700°C，(b) 800°C，(c) 900°C，(d) 1000°C，和(e) 在不同温度退火后AlCrNbSiTi涂层的化学成分

图9. 在-50 V偏压下沉积的AlCrNbSiTi涂层在不同温度退火后的截面形貌和元素分布：(a) 700°C，(b) 800°C，(c) 900°C，和(d) 1000°C

图10. 在-50 V偏压下沉积的AlCrNbSiTi涂层在不同温度退火后的XRD图谱

研究结论：

微观结构演变：随着偏压电压升高，入射粒子动能增加，轰击效应增强，涂层截面结构逐渐致密化。所有涂层均呈现非晶/纳米晶复合结构，与基于混合焓（ΔHmix）和原子尺寸差（δ）的相形成参数预测一致。

力学性能优化：在-50 V偏压下沉积的涂层表现出最优的力学性能，硬度为26.6 GPa，弹性模量为216.1 GPa，H/E和H³/E²比值分别为0.13和0.46，表明其具有高抗塑性变形能力。该涂层的磨损率最低，为1.4 × 10⁻⁶ mm³/N·m，磨损机制以磨粒磨损为主。

高温氧化抗力：AlCrNbSiTi涂层在1000°C高温下仍能有效保护基体。氧化初期，Al优先扩散至表面形成致密的Al₂O₃氧化层，抑制氧向内扩散。随着温度升高，氧化层逐渐破坏，但涂层仍保持结构完整性。

强化机制：涂层的高性能归因于其非晶/纳米晶复合结构、高残余压应力（-3.3 GPa）以及元素均匀分布带来的固溶强化效应。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2026.133194