HiPMS利器新應用-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計理念的產物，在熱力學和動力學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，促進簡單固溶體結構甚至非晶相的形成。獨特的設計理念以及相結構賦予高熵合金氮化物薄膜超高硬韌性、優異耐磨和耐蝕性、超強阻隔性等優異的物理性能，在航空航天、交通、能源等領域顯示出廣闊的應用前景。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的技術手段。然而，受限于較低的金屬離化率，DC/RF-MS不僅使薄膜微結構疏松化并惡化了薄膜的性能，也大幅降低了薄膜結構和性能的可控性。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境并進而控制薄膜生長過程的合成技術。近期，中國科學家在這方面取得重要進展。

(a)  DCMS等離子體發射光譜；(b) HiPIMS等離子體發射管光譜，(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（HiPIMS）構建高離化率的高熵合金等離子體成膜環境。等離子體發射光譜顯示，HiPIMS等離子體中所有靶材元素均呈現出強烈的離化態趨勢(a)，而在DCMS等離子體中靶材元素則基本以激發態的形式存在(b)。與此同時，HiPIMS制備薄膜過程中輔以基體偏壓技術，通過等離子體鞘層的調控直接驅動等離子體向基體運動，從而實現了對達到基體表面等離子體能量和通量的控制。研究結果表明，等離子體能量和通量的增加可顯著增強離子轟擊效應，從而促進擇優形核點和缺陷的產生。同時，薄膜表面沉積粒子的遷移率和刻蝕效應也得到進一步提高。所制備的（AlCrTiVZr）N薄膜均呈現單一的FCC固溶體結構；在離子轟擊效應作用下，其微結構形貌玻璃態化并呈現（111）晶粒取向擇優生長、晶粒尺寸細化（11.3 nm），表面粗糙度低至0.4 nm。薄膜的硬度在結構強化效應、細晶強化效應以邊界強化效應共同作用下達到超硬水平（48.3 GPa）。該研究系統闡述了高熵合金等離子體時空特性-微結構-力學性能三者之間的關系，有效解析了離子轟擊效應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計和制備提供了線索。

通過中國科學家的研究,進一步挖掘了HiPIMS等離子體技術在未來更廣泛的應用，HiPIMS等離子體技術也將會在科研以及工業得到更廣泛的應用。