(HfMoNbZr)1-xNx薄膜晶体结构和力学性能的氮含量调控
简介：多主元陶瓷薄膜中阴离子浓度(空位)的变化显著影响其结晶性、相组成和强化缺陷的形成,进而影响薄膜力学性能.这种作用机制使得通过调节反应磁控溅射反应气体占比实现薄膜力学性能优化成为可能.以包含强、弱氮化物形成趋势的HfMoNbZr多主元体系为例,通过调节反应磁控溅射过程中的反应气体(N2)流量占比(RN),制备系列化学计量比(N元素占比)的(HfMoNbZr)1-xNx薄膜,研究了薄膜晶体结构演变及其对薄膜力学性能和摩擦学性能的影响.研究表明,HfMoNbZr合金薄膜表现出BCC结构非晶特征,低浓度的N元素(RN=5％)掺杂即可形成BCC相至FCC相的转变和实现薄膜结晶性的提升.继续提高N元素浓度(15％≤RN≤20％),薄膜出现了β-Mo2N基BCT相,此时薄膜为FCC和BCT的双相结构.然而,随着RN的进一步提高,双相结构再次转变为单相FCC结构.薄膜相结构的变化伴随择优取向由高表面能(111)、(200)、(220)和(222)晶面向低表面能(200)晶面的转变.双相亚化学计量比(HfMoNbZr)1-xNx薄膜(RN=20％)的硬度和弹性模量达到最大值,分别为29.26±1.35 GPa和314.27±3.29 GPa.结合DFT计算结果可知,亚化学计量比(HfMoNbZr)1-xNx薄膜的硬度峰值来源于强Me-N键形成和双相结构强化效应,化学计量比和过化学计量比薄膜虽有更多强Me-N键,但双相结构消失和低结晶性导致硬度下降.同时,得益于双相亚化学计量比(HfMoNbZr)1-xNx薄膜的高硬度、H/E*和H3/E*2值,薄膜的摩擦磨损性能得到明显提升.相关薄膜性能调控手段可应用于各类多元及多主元薄膜体系,并可为新型硬质防护涂层成分和结构设计提供理论基础.展开
关键词：高熵氮化物磁控溅射晶体结构力学性能DFT计算
在线出版日期：2026-05-08 （网站首发日期）
