【摘 要】
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腐蚀和磨损一直以来是全世界各国都迫切想要研究的方向,因为这不仅关系到了资源节约,还关系到了生产安全问题,因此,对新型材料的不断探索具有深刻意义。高熵合金薄膜,也叫多主元合金薄膜,从被发现以来就凭借其结构独特和性能优异而备受关注。在本研究中,采用直流复合式高功率脉冲磁控溅射技术（Hi PIMS）在硅片和不锈钢基体上分别沉积了FeCoNiCrCu高熵合金薄膜、FeCoNiCrCu高熵合金氮化物薄膜以及
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腐蚀和磨损一直以来是全世界各国都迫切想要研究的方向,因为这不仅关系到了资源节约,还关系到了生产安全问题,因此,对新型材料的不断探索具有深刻意义。高熵合金薄膜,也叫多主元合金薄膜,从被发现以来就凭借其结构独特和性能优异而备受关注。在本研究中,采用直流复合式高功率脉冲磁控溅射技术（Hi PIMS）在硅片和不锈钢基体上分别沉积了FeCoNiCrCu高熵合金薄膜、FeCoNiCrCu高熵合金氮化物薄膜以及FeCoNiCrAl高熵合金薄膜。利用扫描电镜、能谱、X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜等测试手段分析了这三类高熵合金薄膜的形貌以及微观结构,同时研究了薄膜的耐腐蚀性能、物理性能、阻氢性能以及耐磨损性能,最后重点研究并分析了薄膜的耐腐蚀性能以及耐磨损性能。改变脉宽的FeCoNiCrCu高熵合金薄膜结构致密,化学成分均匀,表面粗糙度小,无明显偏析和宏观缺陷。XPS结果表明该薄膜表面主要含Fe和Cr的氧化物,不含其它化合物。XRD结果表明该高熵合金薄膜呈现FCC+BCC的双相结构,且相结构与化学成分密切相关。电化学氢渗透试验表明该高熵合金薄膜具有优异的阻氢性能,同时薄膜的纳米硬度和弹性模量不但和它们各自的相结构有关,还和薄膜内部的缺陷等因素有关。耐腐蚀测试结果表明该高熵合金薄膜具有优于不锈钢基体的耐腐蚀性能,且薄膜的耐腐蚀性能随脉宽增大而提高,这主要和薄膜中耐腐蚀性元素含量以及结构的致密度有关。摩擦磨损测试结果表明四种FeCoNiCrCu高熵合金薄膜均在磨损过程中逐渐破裂,但表现出了较低的摩擦系数。通过扫描电镜和能谱分析,发现薄膜在磨损过程中存在磨粒磨损、粘着磨损以及氧化磨损三种混合磨损机制。此外,磨痕中的薄膜磨屑有利于摩擦系数的降低,而硬质金属氧化物颗粒则会严重损害薄膜的完整性和耐磨性。改变沉积气氛的FeCoNiCrCu高熵合金氮化物薄膜结构致密,化学成分均匀,表面粗糙度小且无明显偏析和宏观缺陷。XPS结果表明薄膜表面主要含Fe、Cr和Co的氧化物,不含其它化合物。XRD结果表明该高熵合金薄膜在不同沉积气氛下呈现不同的相结构,在纯氩气下表现为FCC+BCC的双相结构,通入氮气之后表现为BCC结构,进一步加入氮气后出现非晶结构。这种相结构的转变毫无疑问与薄膜的化学成分息息相关。电化学极化曲线和交流阻抗谱的结果表明该高熵合金氮化物薄膜具有优于不锈钢基体的耐腐蚀性能,且薄膜在Ar:N2=2:1时具有最优异的耐腐蚀性能,说明适量的N原子有利于该薄膜耐腐蚀性能的提升。摩擦磨损测试结果表明四种FeCoNiCrCu高熵合金氮化物薄膜在磨损过程中直接破裂。通过扫描电镜和能谱分析可以发现薄膜在磨损过程中存在磨粒磨损、附着磨损以及氧化磨损这三种混合磨损机制。改变偏压模式的FeCoNiCrAl高熵合金薄膜结构致密,化学成分均匀,表面粗糙度小且无明显偏析和宏观缺陷。XPS结果表明薄膜表面主要含Fe、Cr和Al的氧化物,不含其它化合物。XRD结果表明该高熵合金薄膜只呈现BCC结构,且Al元素的存在将极大地稳定BCC相。电化学极化曲线和交流阻抗谱的结果表明该高熵合金薄膜具有优于不锈钢基体的耐腐蚀性能,且薄膜在偏压作用时间为20/10/20/10 min的模式下具有最优异的耐腐蚀性能,说明偏压模式对于该薄膜的耐腐蚀性能有促进作用。摩擦磨损测试结果表明四种FeCoNiCrAl高熵合金薄膜在磨损过程中缓慢破裂,但表现出了较低的摩擦系数。通过扫描电镜和能谱分析,发现薄膜在磨损过程中存在磨粒磨损、附着磨损以及氧化磨损这三种混合磨损机制。此外,磨痕中的薄膜磨屑有利于摩擦系数的降低,而硬质金属氧化物颗粒则会严重损害薄膜的完整性和耐磨性。
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