哈理工《Surf. & Coat. Technol.》|磁控溅射CoCrNiTi中熵合金薄膜的摩擦和耐蚀性能
2025-12-12 14:59:34 作者:腐蚀与防护 来源:腐蚀与防护 分享至:

 

关键机械部件(如轴承、齿轮)在海洋等恶劣环境下的磨损与腐蚀是导致其失效的主要原因。传统合金难以同时兼顾优异的耐磨性和耐腐蚀性。中熵合金(Medium entropy alloys,MEAs),特别是CoCrNi体系,展现出卓越的抗拉强度、延展性和抗断裂性能。

磁控溅射技术作为制备均匀成分薄膜的有效手段,能够制备出具有优异韧性的CoCrNi薄膜。然而,其过高的延展性及钴离子(Co²⁺)和镍离子(Ni²⁺)在海洋环境中的高溶解速率限制了实际应用。来自哈尔滨理工大学等的研究人员通过向CoCrNi中熵合金薄膜中添加钛(Ti)元素,利用磁控溅射技术制备(CoCrNi)₁₀₀₋ₓTiₓ薄膜,系统研究了Ti含量对其微观结构、力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能的影响,开发出兼具高强度和高耐腐蚀性的新型防护涂层。相关成果于2025年11月11日以“Wear and corrosion performance of CoCrNiTi medium entropy alloy films: A magnetron sputtered architecture from crystal to amorphous”为题发表在《Surface & Coatings Technology》。






图1. 直流磁控溅射制备CoCrNiTi薄膜的装置示意图

图2. 不同Ti含量CoCrNiTi薄膜的GIXRD图谱

图3. 不同钛含量的CoCrNiTi合金薄膜在10N载荷下的压痕扫描电镜图像:(a) Ti7.4;(b) Ti12.5;(c) Ti17.1;(d) Ti23.4

图4. 不同钛含量的CoCrNiTi合金薄膜纳米压痕测试结果:(a)硬度与弹性模量;(b)H/E及H3/E2比值;(c)文献数据对比

图5. 不同钛含量CoCrNiTi合金薄膜划痕形貌:(a) Ti7.4;(b) Ti12.5;(c) Ti17.1;(d) Ti23.4

图6.(a-d)不同钛含量的CoCrNiTi薄膜与基底的2D和3D磨损痕迹形貌:(a) Ti7.4;(b) Ti12.5;(c) Ti17.1;(d) Ti23.4;(e) 42CrMo基底,(e) 磨损速率


图7. (a) 不同钛含量的CoCrNiTi合金薄膜Nyquist图;(b) 频率-幅值关系图的相位角图;(c) 频率-幅值关系图的模量图;(d) 等效电路图



图8. CoCrNiTi合金薄膜耐磨性提升机制示意图



图9. CoCrNiTi合金薄膜耐腐蚀性能改善机制示意图


总之,该研究成功通过直流磁控溅射制备了(CoCrNi)₁₀₀₋ₓTiₓ中熵合金薄膜,结论如下:

1、当Ti含量为12.5at.%时,薄膜呈现纳米晶-非晶复合结构,具有最高的硬度(13.25 GPa)、韧性、膜基结合强度(28.5 N)和最佳的耐磨性(磨损率最低,为0.56×10⁻⁴ mm³/(N·m))。

2、当Ti含量为23.4 at.%时,薄膜形成完全非晶结构,结构最致密,并能形成有效的TiO₂保护层,表现出最优异的耐腐蚀性能。

3、耐磨性和耐腐蚀性对Ti含量的需求存在差异。Ti12.5是实现耐磨性与耐腐蚀性良好平衡的较优选择,而Ti23.4则专注于极限的耐腐蚀性能。

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