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联合高熵效应和多层结构调控AlTiN基涂层的结构与性能

AlTiNbTaZrSiN涂层；多层结构；外延生长；硬度；热性能

多层结构的构筑和近些年发展起来的高熵氮化物涂层是改性含Al过渡族金属氮化物涂层的有效手段。在本文中，我们尝试将高熵材料设计理念与多层结构构筑相结合来改善AlTiN涂层的综合性能，系统地研究了单层Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N、Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N及多层Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N/Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N涂层的结构、力学性能及热性能。通过面心立方Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N模板层稳定立方/六方（c/w）-混合结构Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N亚层，实现了完全立方结构的多层Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N/Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N涂层。与Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N的~28.2 ± 0.9 GPa和Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N的~22.2 ± 0.7 GPa相比，外延生长的共格界面相干应变提高Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N/Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N硬度至~37.5 ± 1.1 GPa。退火过程中，所有涂层均表现出因调幅分解引起的时效硬化特征。Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N和Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N/Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N涂层在退火至1100℃和1000℃时分别保持~25.6 ± 0.8 GPa和~39.6 ± 0.9 GPa的最大硬度，而Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N在900℃时达到了~32.9 ± 0.9 GPa的峰值，随后硬度持续降低。此外，在850℃合成空气中氧化10 h后, Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N涂层完全氧化，而Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N、Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N/Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N涂层仅发生部分氧化，氧化层厚度分别为~1.26和0.45 μm。表层富Al-O和 富(Al, Ti, Si)-O致密氧化保护层的形成、高熵材料金属离子迟滞扩散效应以及多层结构外延生长稳定c/w-混合相结构为立方相结构带来晶界扩散通道的减少，共同促进Al<sub>0.38</sub>Ti<sub>0.12</sub>Nb<sub>0.14</sub>Ta<sub>0.13</sub>Zr<sub>0.14</sub>Si<sub>0.09</sub>N/Al<sub>0.43</sub>Ti<sub>0.57</sub>N具有最优的抗氧化性能。