非晶TiZrNb基高熵合金薄膜的耐磨性和耐腐蚀性机制

高熵合金薄膜腐蚀磨损性能与镍含量调控研究。采用不同镍含量TiZrNbHfNi_x薄膜，发现镍含量增加引起晶格畸变和表面粗糙度变化，导致XRD峰偏移及亲水性转变。当x=2.5时腐蚀电位0.49V，电流密度3.7×10^-8 A/cm2；x=2.0时摩擦系数0.2，磨损系数4.5×10^-11 Pa。机制分析表明镍氧化物填充孔隙提升腐蚀防护，高熵态抑制剪切变形区形成增强耐磨性。

　　

Bingdong Qin | Yu Zheng

中国中南大学机械与电气工程学院极端服役性能精密制造国家重点实验室，长沙，410083

摘要

本研究开发了一系列TiZrNbHfNix非晶高熵合金（HEAs）薄膜，这些薄膜表现出优异的耐腐蚀性和耐磨性。镍含量的增加导致晶格畸变加剧，这表现为X射线衍射（XRD）峰向更高角度偏移。值得注意的是，样品亲水性的变化归因于表面粗糙度的差异。当x = 2.5时，样品表现出最佳的耐腐蚀性，其特征是开路电位（Ecorr）为0.49 V，腐蚀电流密度（Icorr）为3.7 × 10^-8 A/cm2。这种性能的提升可归因于氧化镍的形成，它们有效地填充了由钝化膜溶解产生的孔隙，从而提高了薄膜的完整性。在磨损测试中，x = 2.0的薄膜显示出更强的耐磨性，其摩擦系数为0.2，磨损系数为4.5 × 10^-11 Pa。这种改善与其高熵状态相关的剪切变形区的减小有关，这降低了磨损裂纹发生的可能性。总体而言，这些非晶高熵合金的设计策略为开发高性能防护涂层提供了一种有前景的方法。

引言

随着海洋采矿业的发展，钻井设备所面临的磨损和腐蚀条件与露天采矿作业相比变得越来越复杂[1]。因此，开发高性能防护薄膜对于延长钻井设备的使用寿命至关重要。研究人员通常使用3.5 wt%的NaCl溶液来模拟海洋环境以评估耐腐蚀性[2,3]。此外，还分析了薄膜在碳化硅（SiC）摩擦副下的往复磨损行为，以评估其耐磨性[4,5]。然而，传统的二元合金薄膜容易发生相变和晶界腐蚀，这限制了它们提供长期保护的能力[6]。

高熵合金（HEAs）在材料设计中代表了一种创新方法，其特点是扩散效应缓慢、晶格畸变显著以及协同效应。这些因素共同增强了它们的机械和功能性能[7,8]。HEAs至少包含五种元素，每种元素占总组成的5%到35%，它们利用增加的配位熵使系统趋向于最低能量的热力学平衡状态，从而促进单相结构的形成[9]。例如，Wang等人通过添加Al增强了TiZrNbHf基HEAs的晶格畸变，使屈服强度达到1245 MPa，并将显微硬度从229 HV提高到420 HV。确定的主要磨损机制是氧化磨损，这突显了高熵方法在提高TiZrNbHfAl合金耐磨性方面的有效性[10]。同样，Zhang等人通过添加耐磨元素Ta和Mo合成了单相BCC结构的TiZrNbHf基HEA。这种合金由于晶格畸变而表现出更优异的摩擦学性能[11]。

与传统合金类似，HEAs中的晶界可能在基体之间形成电偶网络，从而降低耐腐蚀性[12]。值得注意的是，将Ni加入HEAs有助于形成非晶结构，这些结构在3.5 wt%的NaCl溶液中表现出优异的耐腐蚀性，其腐蚀电流密度为0.147 nA?cm^-2[13]。受这些发现的启发，本研究通过改变高磨损TiZrNbHf基合金中的Ni含量来研究其对非晶化的影晌。此外，我们评估了非晶样品在海洋环境中的耐腐蚀性，以阐明其抗腐蚀机制。最后，我们分析了纳米划痕条件下的变形机制，以了解机械磨损过程中初始裂纹的形成机制，并提出了开发适用于海洋应用的高耐磨性和耐腐蚀性涂层的策略。

样本制备

本研究中使用的基底是6英寸Si（100）晶圆。HEAs薄膜是通过双靶直流共溅射技术沉积的，使用了TiZrNbHf合金靶和纯Ni靶。合金靶的原子组成比例为1:1:1:1。通过调整功率水平逐步增加Ni含量（见表1），其中Ni的元素浓度定义为x（其中x = 0, 0.4, 1.2, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0）。在沉积过程中，

相和微观结构

2展示了在不同Ni与TiZrNbHf原子比例下制备的HEAs薄膜的元素分布。需要注意的是，由于合金靶中各元素原子尺寸的差异，实际原子比例并未达到设计理想值。尽管如此，单相结构特征（图3）与Ye等人的研究结果一致[14]，基本满足了设计要求。未来的工作将集中解决这一问题

结论

本研究探讨了镍添加对非晶TiZrNbHfNix HEA薄膜表面形态、腐蚀行为和磨损特性的影响。主要结论如下：

1.

镍的添加使TiZrNbHfNix的晶体结构从BCC转变为非晶态。镍含量的增加导致XRD峰向更高角度偏移，表明晶格畸变加剧。此外，非晶样品的表面粗糙度也有所增加

数据声明

支持本研究结果的数据可向相应作者[Yu Zheng]索取，如有合理需求。

作者贡献声明

Bingdong Qin：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，数据分析。Yu Zheng：研究，资金获取。

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