熵工程调控AlTiNbTaZrCrN涂层：实现强度-延展性协同提升与非单调氧化抗性优化

本研究通过熵工程策略在保持~40 at.% Al含量的AlTiN基涂层中引入多元金属（Nb/Ta/Zr/Cr），成功实现构型熵调控。涂层呈现单一岩盐结构，硬度从Al0.45Ti0.55N的28.4 GPa提升至Al0.40Ti0.13(Me)0.47N的35.1 GPa，氧化抗性呈现非单调熵依赖性，为中高熵防护涂层设计提供新范式。

　　

亮点

通过Ti替换策略（Nb+Ta+Zr+Cr近等原子比）在AlTiN基涂层中实现构型熵工程，同时保持~40 at.% Al含量。所有涂层均呈现单一岩盐结构（rock-salt），硬度从Al_0.45Ti_0.55N的28.4 GPa阶梯式增长至Al_0.40Ti_0.13(Me)_0.47N的35.1 GPa，归因于熵驱动的晶格畸变。维氏压痕韧性同步提升则源于高价电子浓度元素（Nb/Ta/Cr）的金属键贡献。

氧化抗性

氧化抗性呈现非单调熵依赖性：与其他组分涂层完全氧化失效不同，中熵Al_0.41Ti_0.37(Me)_0.22N通过Me稳定的锐钛矿型TiO₂相变和保护性(Al,Cr)₂O₃层生长，在1000°C/10h氧化后仍保留残余氮化物。而高熵变体（≥41 at.% Me）因热力学优先形成的复合氧化物（ZrTiO₄/CrTaO₄/Nb₂O₅/ZrO₂）导致微裂纹及Al₂O₃保护层生长受阻，出现加速降解。

结论

本研究证实：在恒定Al含量（~40 at.%）下，通过Nb/Ta/Zr/Cr替代Ti可实现从中熵到高熵的构型熵精准调控。结合第一性原理计算与实验验证，所有涂层均呈现热力学稳定的岩盐结构。硬度随熵增呈阶梯式提升（28.4→35.1 GPa），氧化抗性则通过Me诱导的锐钛矿-TiO₂相变和(Al,Cr)₂O₃保护层实现非单调优化，为高性能防护涂层设计提供熵调控新视角。