氮掺杂调控CoCrFeNiCuNx高熵合金薄膜的微结构演变与性能协同优化机制

本文通过直流磁控溅射（DC magnetron sputtering）制备CoCrFeNiCuNx高熵合金氮化物（HEAN）薄膜，系统研究氮流量（0-25 sccm）对薄膜微结构（FCC→非晶包裹纳米晶）、力学性能（硬度11.2 GPa）及耐蚀性（腐蚀电流密度1.024 μA/cm2）的调控规律，揭示氮掺杂诱导非晶化协同增强机制，为海洋环境防护涂层设计提供新策略。

　　

Highlight

氮掺杂诱导CoCrFeNiCuN_x薄膜从晶体结构向非晶包裹纳米晶（amorphous-wrapped nanocrystalline）复合结构的转变，显著提升其综合性能——15 sccm氮流量下获得最优硬度（11.2 GPa）与耐蚀性（腐蚀电位-731.9 mV）。

Film fabrication

实验采用非平衡磁控溅射系统（JPG600）在42CrMo基体上沉积薄膜。CoCrFeNi等原子比靶材（纯度99.9%）与Cu靶（99.99%）协同溅射，通过调控氮流量（0-25 sccm）实现氮梯度掺杂，基体经砂纸逐级抛光以确保表面平整度。

Deposition rate and surface composition of HEAN films

薄膜沉积速率随氮流量呈先升后降趋势（8.11→10.508→8.79 nm/min），15 sccm时达峰值。氮靶中毒效应（target poisoning）是速率下降的主因，而XPS证实氮成功掺入晶格形成固溶体。

Conclusion

1. 1.

   所有薄膜表面均存在颗粒团簇（120→40 nm）；

2. 2.

   氮流量≤15 sccm时截面呈现细柱状结构；

3. 3.

   非晶相占比增加使硬度提升而塑性保留；

4. 4.

   15 sccm时腐蚀电流密度最低（1.024 μA/cm2），耐蚀性最佳。氮掺杂通过结构重构实现力学-耐蚀性协同突破。