高熵合金薄膜研究現(xiàn)狀與展望

張毅勇，張志彬，姚雯，梁秀兵

（1.四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065； 2.軍事科學(xué)院 國防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071）

隨著對材料研究的深入，科研工作者發(fā)現(xiàn)提高材料的“熵”值，也可以獲得新的材料體系，并提升材料的綜合性能。基于此，Yeh 等學(xué)者[1-4]于2004 年正式提出了多主元合金的設(shè)計(jì)理念：即新的合金由五種或五種以上的等原子比或者近似等原子比的元素組成，各元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)在5%～35%之間.這一類合金稱之為高熵合金。與傳統(tǒng)合金不同，高熵合金成分復(fù)雜，各元素的原子隨機(jī)地占據(jù)晶格位置，展現(xiàn)出四大獨(dú)特效應(yīng)，即熱力學(xué)的高熵效應(yīng)、動力學(xué)的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、晶格結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重畸變效應(yīng)和性能上的雞尾酒效應(yīng)[1]。在多種機(jī)制的協(xié)同作用下，相比于傳統(tǒng)金屬材料，高熵合金擁有眾多出色的性能，如較高的強(qiáng)度和硬度，優(yōu)異的抗氧化、耐摩擦、耐腐蝕和軟磁性能。由于高熵合金在力學(xué)、物理和電學(xué)等方面的出色表現(xiàn)，使其成為21 世紀(jì)潛在的重要結(jié)構(gòu)和功能材料之一，受到了國際上眾多學(xué)者的密切關(guān)注。

高熵合金薄膜是一種低維度形態(tài)（通常厚度在幾十微米以內(nèi)）的高熵合金材料，即一種多組元、髙混合熵的合金薄膜。2004 年，Chen 等人[5]首次利用磁控濺射技術(shù)以FeCoNiCrCuAlMn 和FeCoNiCrCuAl0.5塊體高熵合金作為靶材，成功制備了高熵合金金屬薄膜和氮化物薄膜，并探究了其晶體結(jié)構(gòu)、電阻率、表面粗糙度等的變化。2006 年，Lai 等人[6]采用反應(yīng)射頻磁控濺射法制備了AlCrTaTiZr 高熵合金氮化物薄膜，并研究了氮?dú)饬髁繉Ρ∧せ瘜W(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。同年，Huang 等人[7]采用磁控濺射法制備了AlCoCrCu0.5NiFe 高熵合金氧化物薄膜，并研究了氧含量對薄膜成分、微觀組織結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及電阻率的影響。隨后，Yao 等人[8]于2008 年采用恒電位電沉積法制備了BiFeCoNiMn 高熵合金金屬薄膜，并研究了薄膜的磁性能。Tsai 等人[9-10]于2008 年和2011 年先后研究了AlMoNbSiTaTiVZr 和NbSiTaTiZr 兩種高熵合金金屬薄膜作為擴(kuò)散阻擋層的使用性能。2009 年，Dolique 等人[11]以單晶硅為濺射基底，采用直流磁控濺射的方法制備了AlCoCrCuFeNi 高熵合金金屬薄膜，并研究了濺射功率對薄膜成分和微觀結(jié)構(gòu)的影響。2010 年，Braic 等人[12]在Ar+CH4的氣氛中，采用反應(yīng)磁控濺射的方法成功制備了(TiAlCrNbY)C 高熵合金碳化物薄膜，研究了薄膜的化學(xué)成分、相組成、化學(xué)結(jié)合狀態(tài)、織構(gòu)、形貌、殘余應(yīng)力、粗糙度、硬度和摩擦磨損行為。隨著人們對高熵合金薄膜綜合性能的不斷發(fā)掘，該類材料的體系不斷豐富。按照高熵合金薄膜材料的成分組成，可以分為兩類：一類是完全由純金屬元素組成的金屬薄膜，如研究較多的 AlCoCrFeNi 系[13-14]和NbSiTaTiZr[10]等；另一類是加入C、N 等非金屬元素形成的氮化物、 碳化物等化合物薄膜， 如(AlCrTaTiZr)N[6]、(TiAlCrSiV)N[15]、(TiAlCrNbY)C[12]和(CuSiTiYZr)C[16]等。高熵合金薄膜材料不僅展現(xiàn)出與高熵合金塊體材料相似的優(yōu)異性能，甚至在一些性能上優(yōu)于合金塊體材料，例如高的硬度、強(qiáng)度和彈性模量等。Liao 等人[14]報(bào)道了CoCrFeNiAl0.3高熵合金薄膜的硬度大約是相同成分塊體合金的四倍。因此，高熵合金薄膜材料在許多領(lǐng)域都展示出了良好的應(yīng)用前景。本文系統(tǒng)地總結(jié)了高熵合金薄膜的制備方法、晶體結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、應(yīng)用前景和未來發(fā)展方向。

1 高熵合金薄膜的制備方法

薄膜的本質(zhì)是原子、分子或離子沉積在基底表面形成的二維材料，其厚度一般為微米或者納米級別。隨著研究的深入，逐步發(fā)展出了多種不同的薄膜材料制備方法。對于微米或納米尺度的高熵合金薄膜，其主要的制備方法是物理氣相沉積法（Physical Vapor Deposition, PVD）和電化學(xué)沉積法（Electrochemical Deposition, ED）。物理氣相沉積技術(shù)是指先將材料通過某種物理方式高能氣化，產(chǎn)生氣相原子、分子或者離子，再輸運(yùn)至基底表面沉積形成金屬、非金屬或化合物薄膜的過程，例如濺射沉積、真空蒸發(fā)鍍膜和離子鍍膜等。電化學(xué)沉積技術(shù)是指在電場作用下，在一定的電解質(zhì)溶液中通過發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使溶液中的離子沉積到陰極表面而得到薄膜。

濺射沉積（Sputtering Depositition, SD）是高熵合金薄膜最常用的制備方法，主要包括磁控濺射、反應(yīng)濺射和脈沖激光沉積等。其中，磁控濺射（Magnetron Sputtering, MS）工藝是目前制備高熵合金薄膜材料最廣泛使用的方法，其工藝原理如圖1a 所示。根據(jù)靶材數(shù)量，高熵合金薄膜磁控濺射沉積方法可分為單靶濺射和多靶濺射。單靶濺射的靶材可以是合金靶、復(fù)合靶或者鑲嵌靶。例如，Khan 等人[13]采用單靶射頻磁控濺射法制備AlCoCrCu0.5FeNi 高熵合金薄膜時(shí)，使用的靶材即為高純度的相同成分的高熵合金塊體材料，該靶材通過真空電弧熔煉制備而成。Braeckman 等人[17]也同樣采用單靶磁控濺射法制備AlCoCrCuFeNi 高熵合金薄膜，靶材同樣是相同成分的高熵合金塊體材料。但該靶材是通過粉末冶金的方法制備的，選用的原材料均為高純度的合金粉末，在稱量及混合后，經(jīng)過冷壓成形制備而成。多靶濺射則采用多個(gè)靶材共同濺射。根據(jù)組元的物理性質(zhì)、原子半徑等特點(diǎn)，可以是純金屬靶，也可以是二元或者多元合金靶材。例如，F(xiàn)eng 等人[18]在利用多靶磁控濺射方法制備ZrNbTaTiW 難熔高熵合金薄膜時(shí)，采用了三個(gè)靶材共沉積的方式，其中兩個(gè)為合金靶材，一個(gè)為純鋯靶材。多靶共濺射的制備方式使磁控濺射工藝變得更加靈活，克服了某些多主元合金靶材不易制備的困難，并且可以通過調(diào)節(jié)靶材的功率、位置和組合，達(dá)到調(diào)整薄膜化學(xué)成分的目的。

反應(yīng)濺射（Reactive Sputtering, RS）是在濺射鍍膜過程中，引入某些活性反應(yīng)性氣體與濺射粒子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成不同于靶材的化合物薄膜。對于高熵合金化合物薄膜（主要是氮化物、碳化物和氧化物薄膜），大多數(shù)都采用反應(yīng)磁控濺射進(jìn)行制備。例如，Lai 等人[6]采用反應(yīng)射頻磁控濺射法制備了AlCrTaTiZr 高熵合金氮化物薄膜，并研究了氮?dú)饬髁繉Ρ∧せ瘜W(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。Braic等人[12]在Ar+CH4的氣氛中，采用反應(yīng)磁控濺射的方法成功制備了(TiAlCrNbY)C 高熵合金碳化物薄膜。

脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition, PLD）是近年來一種新的濺射沉積制備高熵合金薄膜的方法，其工藝原理如圖1b 所示。脈沖激光沉積法是一種真空物理沉積工藝，是將高功率脈沖激光聚焦于靶材表面，使其產(chǎn)生高溫及燒蝕，形成高溫高壓等離子體，等離子體定向局域膨脹發(fā)射，并在基底上沉積形成薄膜。Lu 等人[19]采用脈沖激光沉積法制備CoCrFeNiAl0.3高熵合金薄膜，通過研究發(fā)現(xiàn)薄膜表面存在少量納米尺度顆粒，并且薄膜材料與塊狀合金相比，具有較高的納米硬度和較低的彈性模量。

真空蒸發(fā)鍍膜（Vacuum Evaporation, VE）是在真空條件下用蒸發(fā)器加熱待蒸發(fā)物質(zhì)，使其氣化并向基底輸運(yùn)，在基底上冷凝形成固態(tài)薄膜的過程。Bagdasaryan 等人[20]采用真空蒸發(fā)鍍膜的方法制備了(TiZrNbHfTa)N/WN 多主元多層結(jié)構(gòu)薄膜，研究了基底偏壓對薄膜的力學(xué)性能和晶體結(jié)構(gòu)的影響。

離子鍍膜（Ion Plating, IP）是在真空條件下，應(yīng)用氣體放電或被蒸發(fā)材料的電離，在氣體離子或被蒸發(fā)物離子的轟擊下，將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基底上形成薄膜。Pogrebnjak 等人[21]采用陰極真空電弧氣相沉積法制備了(TiHfZrNbVTa)N 高熵合金氮化物薄膜，研究了薄膜的表面形貌、粗糙度、元素和相組成、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

此外，高熵合金薄膜也可以通過其他方法（如電化學(xué)沉積法）制備。電化學(xué)沉積不需要復(fù)雜的設(shè)備和昂貴的原料，可以在較低的加工溫度和較低的能耗下進(jìn)行，且能在具有復(fù)雜幾何形狀的基底表面實(shí)現(xiàn)低成本制備高熵合金薄膜，還可以通過改變沉積參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制薄膜的成分、形貌和厚度。Soare 等人[22]采用恒電位電化學(xué)沉積法制備了AlCrFeMnNi 和AlCrCuFeMnNi兩種均呈現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)的高熵合金薄膜。

表1 濺射沉積、真空蒸發(fā)鍍膜、離子鍍膜和電化學(xué)沉積技術(shù)的特點(diǎn)[8,13,17-25] Tab.1 Characteristics of SD, VE, IP and ED techniques[8,13,17-25]

表1 總結(jié)了濺射沉積、真空蒸發(fā)鍍膜、離子鍍膜和電化學(xué)沉積法的工藝特點(diǎn)[8,13,17-25]。濺射沉積是薄膜類材料最常用的制備方法，其中磁控濺射可以制備大部分的金屬、合金甚至陶瓷材料，例如硬質(zhì)保護(hù)涂層TiN 和AlN 等。磁控濺射沉積也是目前高熵合金薄膜制備最廣泛采用的方法。由于高熵合金主元眾 多、成分復(fù)雜，因此在磁控濺射沉積過程中保證薄膜中每個(gè)元素的百分比幾乎等于靶材，對于精確制備高熵合金薄膜非常重要。由于磁控濺射靶材的成分均勻性直接影響沉積薄膜的成分，所以靶材成分的均勻性對于保證薄膜的成分至關(guān)重要。制備其他純金屬或者二元合金的靶材相對簡單，但是高熵合金成分眾多，因此高熵合金靶材制備相對來說較為困難。高熵合金靶材一般采用電弧熔煉或粉末冶金的方法制備。采用電弧熔煉制備高熵合金靶材時(shí)，合金錠一般至少熔煉五次，以保證靶材成分的均勻性；采用粉末冶金制備高熵合金靶材時(shí)，則需高能球磨和機(jī)械混合來保證靶材成分的均勻性。另外，由于高熵合金靶材中不同元素的濺射率不同，也造成了高熵合金薄膜的成分比傳統(tǒng)金屬薄膜的成分更不容易控制。為了克服高熵合金單一靶材制備的困難，可以采用多靶濺射，通過調(diào)節(jié)靶材的功率有效改變薄膜的成分含量。

脈沖激光沉積是一種廣泛用于沉積金屬、合金和其他化合物薄膜的技術(shù)。該技術(shù)特別適用于多元素薄膜的沉積[26]，因?yàn)樗哂性趩蝹€(gè)步驟中將材料整體從靶材轉(zhuǎn)移到薄膜的能力。與磁控濺射沉積相比，脈沖激光沉積薄膜的成分與靶材成分具有更好的一致性，并且沉積能量直接來自真空室，確保不引入雜質(zhì)，因此脈沖激光濺射沉積在高熵合金薄膜制備方面具有很大的發(fā)展前景[19]。與磁控濺射沉積類似，靶材制備仍然是脈沖激光沉積制備高熵合金薄膜最重要的環(huán)節(jié)。值得關(guān)注的是，由于激光能量較高，在制備高熵合金薄膜和其他類型薄膜時(shí)，金屬液滴的飛濺容易在薄膜表面沉積形成小顆粒，影響薄膜表面質(zhì)量。

電化學(xué)沉積制備高熵合金薄膜已經(jīng)取得了成功，但目前應(yīng)用還比較少。電化學(xué)沉積在制備純金屬薄膜方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，例如鐵、鎳、鋅和銅等。采用電化學(xué)沉積法制備高熵合金薄膜的主要難點(diǎn)是尋找合適的絡(luò)合劑，使多種離子同時(shí)溶解于溶液中，然后通過陰極放電的方式，使金屬離子得到電子，進(jìn)而沉積為薄膜。另外，由于高熵合金至少含有五種不同種類的元素，這些不同的金屬原子的還原電位差異很大，也導(dǎo)致了很難用電化學(xué)沉積技術(shù)制備出均勻的高熵合金薄膜。但由于電化學(xué)沉積法在復(fù)雜形狀表面鍍膜具有優(yōu)勢，同時(shí)得到的薄膜的致密度、與基底的結(jié)合強(qiáng)度一般要優(yōu)于磁控濺射法等氣相沉積法，因而電化學(xué)沉積法在高熵合金薄膜制備方面仍然具有潛力。

綜上所述，磁控濺射在制備高熵合金金屬薄膜和化合物薄膜方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，且脈沖激光沉積和電化學(xué)沉積制備高熵合金薄膜方面仍然具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 高熵合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)

由于同樣具有高熵效應(yīng)和緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，高熵合金薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)也通常表現(xiàn)為簡單的固溶體結(jié)構(gòu)或者非晶結(jié)構(gòu)，而較難形成金屬間化合物相。另外，高熵合金薄膜的厚度通常在幾十微米以內(nèi)，其制備過程可以提供較高的凝固速率，使得薄膜中的元素沒有足夠的時(shí)間充分地?cái)U(kuò)散，晶粒形核和長大過程受到抑制，即具有“快速淬火”效應(yīng)[27]，這也使得高熵合金薄膜更容易形成簡單結(jié)構(gòu)。但是，這些薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)一般對于其組成元素、制備工藝等因素都較為敏感。

高熵合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)首先受到元素之間相互作用的影響。例如，Braeckman 等人[28-30]研究了Nb、Ge 和In 三種元素對CoCrCuFeNi 高熵合金薄膜相轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)隨著三種元素含量的增加，薄膜材料均發(fā)生了從晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。另外，Zr 元素對CoCrFeNi 系高熵合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)也有類似的影響[30]。此外，非金屬元素C、N 和O 等的加入，也會影響薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。Braic 等人[12]在Ar+CH4的氣氛中，采用反應(yīng)磁控濺射的方法成功制備了(TiAlCrNbY)C 高熵合金碳化物薄膜，發(fā)現(xiàn)不含碳的薄膜顯示出純FCC 固溶體結(jié)構(gòu)，但表現(xiàn)為接近非晶的晶體結(jié)構(gòu)，而碳濃度較高的薄膜則呈現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)。通常不含氮元素的高熵合金薄膜具有非晶結(jié)構(gòu)，而隨著氮含量的增加，薄膜晶體結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC 固溶體結(jié)構(gòu)，例如TiVCrAlZr[31]、AlCrMoTaTiZr[32]、AlCrNbSiTiV[33]等高熵薄膜體系。Yu 等人[34]利用反應(yīng)磁控濺射工藝制備(ZnSnCuTiNb)1-xOx高熵合金氧化物薄膜，發(fā)現(xiàn)所有的(ZnSnCuTiNb)1-xOx薄膜均是非晶結(jié)構(gòu)。

高熵合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)還容易受到制備工藝的影響，例如基底溫度和基底偏壓等。Fritze 等人[35]研究了基底溫度對高熵合金薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)：室溫沉積得到的HfNbTiVZr 高熵合金薄膜為非晶態(tài)；隨著基底溫度的升高（275 ℃），薄膜結(jié)構(gòu)從非晶轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囿w心立方（BCC）固溶體；在基底溫度為450 ℃時(shí)形成了C14 或C15Laves 相。Malinovskis 等人[36]也研究了不同基底溫度下制備的(CrNbTaTiW)C 高熵合金碳化物薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基底溫度小于600 ℃時(shí)，薄膜均呈現(xiàn)立方B1 晶體結(jié)構(gòu)，但在600 ℃沉積的富Ta 和W 的薄膜呈現(xiàn)四方畸變。Lai 等人[37]則研究了基底偏壓對(AlCrTiTaZr)N高熵合金氮化物薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響。如圖2 所示，所有薄膜均具有NaCl 型FCC 固溶體結(jié)構(gòu)，但是基底偏壓強(qiáng)烈影響薄膜的擇優(yōu)取向。隨著基底偏壓的增加，擇優(yōu)取向從混合的(111)和(200)變?yōu)閱我坏?111)。

圖 2 不同基底偏壓沉積的(AlCrTiTaZr)N 高熵薄膜的XRD 圖[37] Fig.2 XRD patterns of the (AlCrTaTiZr)N high-entropy film deposited at different substrate bias voltages[37]

基底偏壓和基底溫度是濺射鍍膜中最重要的兩個(gè)工藝參數(shù)，表2 總結(jié)了這兩個(gè)工藝參數(shù)對磁控濺射制備的高熵合金薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響。從表2 中可以看出，基底偏壓不影響高熵合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，但顯著影響薄膜的擇優(yōu)取向。隨著基底偏壓的增加，薄膜的擇優(yōu)取向發(fā)生改變。(AlCrTaTiZr)N[37-38]和(AlCrNbSiTiV)N[39]高熵合金薄膜雖然同屬于NaCl 型FCC 結(jié)構(gòu)，但隨著基底偏壓的增加，薄膜的擇優(yōu)取向卻呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。對于擇優(yōu)取向的變化與任何特定沉積參數(shù)之間的關(guān)系仍然沒有明確的共識，這種分散的結(jié)果部分歸因于沉積過程本身的復(fù)雜性，部分歸因于沉積設(shè)施之間可能存在的差異[40]。高熵合金薄膜的擇優(yōu)取向顯著影響高熵合金的硬度等力學(xué)性能，因此有必要系統(tǒng)地研究基底偏壓與高熵合金薄膜擇優(yōu)取向之間的關(guān)系[6,38]?；诇囟葎t顯著影響高熵合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。例如，TaNbHfZr[41]和HfNbTiVZr[35]高熵合金薄膜在室溫下沉積時(shí)均為非晶結(jié)構(gòu)，隨著基底溫度的升高，這兩種薄膜均逐漸晶化，甚至析出了第二相。因此，基底溫度對于設(shè)計(jì)合適的晶體結(jié)構(gòu)的薄膜具有重要的意義。綜上所述，薄膜制備工藝參數(shù)的合適選擇對于制備高質(zhì)量的高熵合金薄膜至關(guān)重要。但是目前現(xiàn)有制備技術(shù)的工藝參數(shù)與高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步進(jìn)行探索，需總結(jié)出相應(yīng)的規(guī)律，以此對薄膜的制備起指導(dǎo)作用。

表2 工藝參數(shù)對高熵合金薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響 Tab.2 Influence of process parameters on the crystal structure of high-entropy alloy thin film

3 高熵合金薄膜的性能特點(diǎn)

3.1 力學(xué)性能

大量的研究結(jié)果表明，高熵合金薄膜材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，例如較高的硬度、強(qiáng)度和彈性模量等，吸引了眾多科研工作者的興趣。如圖3 所示，與傳統(tǒng)的合金和非晶材料相比，高熵合金薄膜在硬度和楊氏模量方面展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢[42]。分析其原因，可歸納為四個(gè)方面。

第一，該類材料的晶體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。由于高熵 效應(yīng)和“快速淬火”效應(yīng)，高熵合金薄膜容易形成較為簡單的固溶體結(jié)構(gòu)或者非晶結(jié)構(gòu)。例如，Braeckman等人[30]探究了Nb 元素對CoCrCuFeNi 高熵合金薄膜晶體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著Nb 含量的增加（0%～24%），薄膜的晶體結(jié)構(gòu)從FCC 固溶體結(jié)構(gòu)過渡到非晶結(jié)構(gòu)。在中等Nb 含量（5%～15%）時(shí)，形成了一種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由嵌入非晶態(tài)基體中的納米微晶組成，這種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了薄膜的硬度?；诖?，他們提出了新的晶態(tài)-非晶態(tài)雙相結(jié)構(gòu)的高熵合金薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。

第二，固溶強(qiáng)化作用顯著。高熵合金薄膜中引入B、C 和N 等間隙元素，填充薄膜的間隙位置，起到固溶強(qiáng)化的作用。Liang 等人[43]采用反應(yīng)磁控濺射法制備了(TiVCrZrHf)N 高熵合金氮化物薄膜，研究了不同氮?dú)饬髁繉Ρ∧さ某煞?、結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁窟_(dá)到4 mL/min 時(shí)，高熵合金薄膜的硬度和彈性模量均達(dá)到最大值，分別為(23.8±0.8) GPa 和(267.3±4.0) GPa。

第三，細(xì)晶強(qiáng)化作用明顯。高熵合金薄膜具有的晶格畸變效應(yīng)以及通過控制制備工藝參數(shù)，可以使高熵合金薄膜獲得細(xì)小的晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用。Liao 等人[14]采用磁控濺射法制備CoCrFeNiAl0.3高熵合金薄膜，并研究了該薄膜材料的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，該薄膜表面光滑均勻，相結(jié)構(gòu)為細(xì)小的FCC 納米晶以及少量的NiAl 有序相。該種薄膜材料的彈性模量與相應(yīng)的塊體合金類似，但是硬度大約是塊體高熵合金的四倍，原因是薄膜中形成了非常細(xì)小的納米晶結(jié)構(gòu)。

第四，殘留應(yīng)力和致密度的影響。采用磁控濺射工藝制備的高熵合金薄膜一般具有殘留壓應(yīng)力，并且結(jié)構(gòu)致密，有利于薄膜硬度的提高。Li 等人[44]通過直流磁控濺射沉積獲得FeAlCuCrCoMn 高熵合金薄膜，并研究了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)以及機(jī)械性能。研究發(fā)現(xiàn)，采用磁控濺射法可以獲得致密光滑的薄膜。隨著沉積時(shí)間的增加，薄膜表現(xiàn)出單一的FCC 固溶體，硬度和楊氏模量分別為17.5 GPa 和186 GPa。Braic等人[12]采用反應(yīng)磁控濺射制備了TiAlCrNbY 高熵合金金屬薄膜和碳化物薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，金屬薄膜中存在殘留拉應(yīng)力，碳化物薄膜中存在殘留壓應(yīng)力。殘留壓應(yīng)力有利于提高薄膜的硬度，當(dāng)殘留壓應(yīng)力為-1.95 GPa時(shí)，碳化物薄膜具有最高的硬度，為22.6 GPa。

表3 總結(jié)了部分高熵合金薄膜的硬度和彈性模量。從表3 中可以看出，相比于高熵合金金屬薄膜，高熵合金化合物薄膜的硬度和模量整體呈現(xiàn)出升高趨勢，例如(TiAlCrNbY)C[12]和(TiAlCrSiV)N[15]等。由氮化物和非氮化物形成元素共同組成的高熵 合金氮化物薄膜的最高硬度都低于 20 GPa，例如(FeCoNiCrCuAl0.5)N[5]、(AlCrMoNiTi)N[45]。但是，非氮化物和碳化物形成元素對于高熵合金氮化物和碳化物薄膜力學(xué)性能的影響少有研究。值得注意的是，制備方法對于高熵合金薄膜的硬度也有一定的影響。例如，采用真空電弧沉積法制備的(TiVZrNbHf)N[46]高熵合金氮化物薄膜的硬度高達(dá)66 GPa，這是因?yàn)檎婵针娀〕练e制備的薄膜致密度好，與基底的結(jié)合力強(qiáng)，同時(shí)由于高能離子的轟擊作用在薄膜表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得薄膜具有很高的硬度。直流磁控濺射沉積的薄膜質(zhì)量相對較差，而且存在較多缺陷，硬度相對較低；射頻磁控濺射沉積的薄膜組織較為致密、表面光滑、質(zhì)量較好，因此薄膜硬度較高。另外，磁控濺射中基底偏壓的增加也有利于提高薄膜的硬度，這是由于基底偏壓的增加，不僅使薄膜的致密度提高，同時(shí)增大了薄膜中的殘留壓應(yīng)力，從而提高了薄膜的硬度，例如(AlCrTaTiZr)N[6,37]。從表3 中可以看出，高熵合金薄膜中硬度大于40 GPa 的薄膜種類仍然較少，因此超高硬度高熵合金薄膜具有很大的發(fā)展?jié)摿?，可以采用摻雜間隙元素C 和N 等、選擇合適的制備方法、調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，來制備具有超高硬度的高熵合金薄膜。

3.2 摩擦磨損性能

對于薄膜類材料來說，磨損是工業(yè)應(yīng)用中比較常見的現(xiàn)象，與零件的使用壽命息息相關(guān)，因此對于薄膜摩擦磨損性能的研究非常重要。影響薄膜材料摩擦磨損性能的因素有很多，例如化學(xué)成分、制備工藝、表面粗糙度以及與基底之間的結(jié)合強(qiáng)度等。

元素種類及其含量對于薄膜的摩擦磨損性能影響顯著。例如，Braic 等人[12]研究了TiAlCrNbY 高熵合金金屬薄膜和不同碳含量的碳化物薄膜的摩擦學(xué)和耐磨性能。研究發(fā)現(xiàn)，碳化物薄膜的摩擦系數(shù)顯著低于金屬薄膜，并且隨著碳含量的增加而降低，原因可能是富碳的表面層可以起到潤滑相的作用，這一現(xiàn)象也同樣存在于(CuSiTiYZr)Cx高熵合金碳化物薄膜中[16]。Ren 等人[45]采用射頻磁控濺射技術(shù)制備了(AlCrMoNiTi)Nx和(AlCrMoZrTi)Nx兩種高熵合金氮化物薄膜，并研究了其摩擦磨損性能。研究發(fā)現(xiàn)，氮化物薄膜的耐磨性能優(yōu)于金屬薄膜，原因是氮化物薄膜有更好的機(jī)械性能。(AlCrMoZrTi)Nx薄膜的摩擦磨損性能優(yōu)于(AlCrMoNiTi)Nx薄膜，其原因是由于Zr元素的原子半徑較大，并且是強(qiáng)氮化物形成元素，其顯著提高了含Zr 元素的氮化物薄膜的力學(xué)性能。

制備工藝對薄膜材料的摩擦磨損性能也有較大影響。例如，Lai 等人[37]系統(tǒng)地研究了基底偏壓對(AlCrTaTiZr)N 高熵合金氮化物薄膜耐磨性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著基底偏壓的增加，磨損率逐漸降低，在-150 V 的基底偏壓下，薄膜有最小的磨損率（3.65×10-6mm3/(N·m)）。其原因是隨著基底偏壓的增加，薄膜結(jié)構(gòu)更加致密，力學(xué)性能得到改善，使其磨損率逐漸降低。Tüten 等人[51]采用射頻磁控濺射法在生物醫(yī)學(xué)材料 Ti-6Al-4V 表面成功沉積制備了TiTaHfNbZr 高熵合金薄膜。該薄膜形成了均勻致密的組織結(jié)構(gòu)，具有較高的硬度和彈性模量，因此耐磨性能得到增強(qiáng)。

薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率一般隨著表面粗糙度的增加而增大，這是因?yàn)榇植诘谋砻婢哂懈〉慕佑|面積和更高的接觸壓力，會導(dǎo)致更高的摩擦系數(shù)和磨損損失，因此較小的表面粗糙度可以使薄膜的摩擦系數(shù)降低，有利于耐磨性能的改善。Feng 等人[49]系統(tǒng)地研究了氮?dú)饬髀剩≧n=N2/(N2+Ar)）對CrNbTaMoV高熵合金氮化物薄膜摩擦磨損性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，氮化物薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率均低于金屬薄膜，原因是氮化物薄膜有著更低的表面粗糙度和較高的硬度，有利于減小摩擦系數(shù)，并降低磨損率。

薄膜與基底之間的結(jié)合強(qiáng)度也是影響薄膜耐磨性能的一個(gè)重要因素，結(jié)合強(qiáng)度越高，則耐磨性能越好。Cheng 等人[52]為了改善(AlCrTaTiZr)N 高熵合金氮化物薄膜與基底之間的結(jié)合情況，在沉積薄膜之前，在基底預(yù)先沉積一層中間層材料，并研究了不同的中間層材料和中間層厚度對薄膜與基底的結(jié)合強(qiáng)度和摩擦磨損性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，氮化物薄膜在摩擦學(xué)試驗(yàn)過程中由于結(jié)合性能差，容易發(fā)生磨損，通過添加中間層可以改善結(jié)合性能，提高耐磨性。

相比于傳統(tǒng)薄膜，高熵合金薄膜由于獨(dú)特的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，具有優(yōu)異的耐磨性能，使其成為非常具有發(fā)展?jié)摿Φ挠操|(zhì)涂層材料。由以上敘述可知，元素成分、制備工藝、薄膜材料的力學(xué)性能等都是影響高熵合金薄膜摩擦磨損性能的重要因素，因此在設(shè)計(jì)具有優(yōu)異的耐磨性能的高熵合金薄膜時(shí)，需要綜合考慮上述方面。但是目前對于高熵合金摩擦磨損性能的研究大部分都在室溫環(huán)境下完成，對于耦合其他環(huán)境，例如海洋環(huán)境、化工腐蝕、高溫和低溫下的高熵合金薄膜的摩擦磨損性能，少有人進(jìn)行研究。隨著航空航天、核工業(yè)和海洋工業(yè)的快速發(fā)展，對于在極端環(huán)境條件下的耐磨涂層的需求也快速增加。因此，針對未來的高熵合金薄膜耐磨性能方面的研究，耦合多種環(huán)境介質(zhì)下的摩擦磨損機(jī)理以及開發(fā)具有超級耐磨性能的高熵合金薄膜應(yīng)該是一大研究熱點(diǎn)。

3.3 耐高溫和抗氧化性能

一般情況下，高熵合金薄膜普遍具有優(yōu)異的耐高溫和抗氧化性能，在高溫條件下依然能維持相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和較好的抗氧化性能。原因可簡單歸納如下。

1）由于高熵合金的高熵效應(yīng)和緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，使得高熵合金薄膜的元素在退火過程中也具有較低的擴(kuò)散速率，即使在高溫下也難以進(jìn)行再分布。Tsai等人[50]采用磁控濺射制備的(TiVCrZrHf)N 高熵合金氮化物薄膜展示出了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，薄膜經(jīng)1173 K/ 2 h 退火后，晶體結(jié)構(gòu)保持不變。Wu 等人[47]采用磁控濺射法制備AlxCoCrFeNiCu 高熵合金薄膜，研究了該薄膜材料的相結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，該薄膜經(jīng)高溫退火后，相結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定。Sheng 等人[53]采用磁控濺射法制備了NbTiAlSiN 和NbTiAlSiWN 兩種氮化物薄膜，所制備的薄膜均呈非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，在700 ℃下能穩(wěn)定24 h 以上。Firstov 等人[46]采用真空電弧沉積法制備了(TiVZrNbHf)N 高熵合金氮化物薄膜，研究了該薄膜的耐高溫性能，發(fā)現(xiàn)該薄膜在1100 ℃退火10 h 后，薄膜的晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，薄膜硬度仍可保持44 GPa，表現(xiàn)出極好的強(qiáng)韌性和高溫穩(wěn)定性。

2）Al、Cr 和Si 等元素的加入可以形成致密的氧化膜，Ti 和W 等元素則可以提高薄膜致密度，改善薄膜的高溫抗氧化性能。Tsai 等人[54]采用反應(yīng)磁控濺射法制備(AlCrMoTiTa)Six-N 高熵合金氮化物薄膜，系統(tǒng)地研究了硅含量對薄膜氧化行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，硅元素可以顯著改善(AlCrMoTiTa)N 薄膜的抗氧化性能。含硅薄膜具有良好的抗高溫氧化性能是因?yàn)?，在薄膜表面形成了外層為非晶Al2O3氧化層和內(nèi)層為非晶SiO2氧化層的雙層結(jié)構(gòu)，共同阻止了氧元素進(jìn)一步向氮化物薄膜的擴(kuò)散。Feng 等人[55]研究了TaNbTiW 高熵合金薄膜的高溫抗氧化性能。研究發(fā)現(xiàn)，在900 ℃退火后，高Ti 和W 含量的薄膜具有較好的抗高溫氧化性能，原因是W-O 之間的混合焓比Ta-O 和Nb-O 的大，W 含量越多，抗氧化性能越好；并且Ti 和W 的加入使其結(jié)構(gòu)致密，改善了抗氧化性能。Shen 等人[56]采用反應(yīng)磁控濺射法制備了(Al0.34Cr0.22Nb0.11Si0.11Ti0.22)50N50高熵合金氮化物薄膜，并研究了該薄膜的抗氧化性能。研究發(fā)現(xiàn)，該高熵合金氮化物薄膜具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能，在900 ℃退火50 h 后，其氧化層厚度僅為290 nm。這與該薄膜形成獨(dú)特的8 個(gè)氧化層結(jié)構(gòu)有關(guān)，如圖4 所示，頂層為致密的Al2O3層，第2、3、5、7 層則為致密的非晶相層，構(gòu)成了網(wǎng)狀分布，共同阻止了氧原子的向內(nèi)擴(kuò)散。

3）嚴(yán)重的晶格畸變抑制退火過程中晶粒的長大，有利于在高溫下保持晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。Tsai 等人[57]采用反應(yīng)磁控濺射法制備了多主元(AlMoNbSiTaTiVZr)50N50高熵合金氮化物薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，沉積態(tài)薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)850 ℃/30 min 退火后，薄膜晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。原因是嚴(yán)重的晶格畸變效應(yīng)減少了元素的擴(kuò)散動力，并且主元數(shù)較多導(dǎo)致了很高的堆積密度，沒有足夠的自由體積空間進(jìn)行擴(kuò)散。Zou 等人[58]通過磁控濺射制備了NbMoTaW 高熵合金薄膜，證明了這種高熵合金薄膜在高溫、長時(shí)間條件下（1100 ℃/3 d）能顯示出較強(qiáng)的高溫相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。原因是該高熵薄膜形成了納米晶結(jié)構(gòu)，內(nèi)部晶粒高度無序化，不是完美晶體結(jié)構(gòu)，晶界能小于純金屬，因此高熵合金的晶界遷移的驅(qū)動力較小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)粗化緩慢。

圖4 (Al0.34Cr0.22Nb0.11Si0.11Ti0.22)50N50 高熵合金薄膜的氧化層結(jié)構(gòu)TEM 圖[56] Fig.4 TEM images of the oxide layer structure of (Al0.34Cr0.22Nb0.11Si0.11Ti0.22)50N50 high-entropy alloy thin film[56]

表4 高熵合金薄膜的耐高溫性能 Tab.4 High temperature resistance of high-entropy alloy thin film

由以上敘述可知，高熵合金由于其獨(dú)特的高熵效應(yīng)和緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，相對于傳統(tǒng)薄膜材料，在耐高溫性能方面具有較大的優(yōu)勢。表4 總結(jié)了高熵合金薄膜的耐高溫性能以及其高溫下穩(wěn)定存在的晶體結(jié)構(gòu)。從表4 中可以看出，目前對于高熵合金薄膜耐高溫的研究大部分都在900 ℃以下，含有高熔點(diǎn)金屬的高熵合金薄膜（難熔高熵合金薄膜），例如(TiVCrZrHf)N[50]、NbMoTaW[58]、(TiVZrNbHf)N[46]，具有比較高的 使用溫度。但是耐熱高熵合金薄膜仍然有很大的發(fā)展空間，溫度超過1000 ℃的耐熱高熵合金薄膜仍然較少，因此可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)：1）選擇合適的金屬元素，難熔高熵合金薄膜由于所含元素熔點(diǎn)較高，在高溫下使用具有很大的優(yōu)勢；2）設(shè)計(jì)合適的成分，晶格畸變和緩慢擴(kuò)散效應(yīng)有利于提高高熵合金薄膜的耐高溫性能，可以考慮設(shè)計(jì)非等原子比的高熵合金薄膜，增加高熵合金的晶格畸變程度；3）選擇合適的制備方法，以提高高熵合金薄膜的質(zhì)量。

3.4 耐腐蝕性能

高熵合金薄膜因具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可作為耐腐蝕涂層廣泛使用。影響高熵合金薄膜耐腐蝕性能的因素主要有以下三方面：

1）由于高熵效應(yīng)和“快速淬火”效應(yīng)，高熵合金薄膜大多具有簡單的單一固溶體結(jié)構(gòu)或者非晶結(jié)構(gòu)。單一的固溶體結(jié)構(gòu)使成分分布均勻，可以減少原電池的形成，降低腐蝕傾向；而非晶結(jié)構(gòu)由于不存在晶界，所以在腐蝕性介質(zhì)中更加穩(wěn)定。Dou 等人[47]研究了FeAlCoCuNiV 高熵合金薄膜在3.5%NaCl、5%NaOH 和10%H2SO4電解液中的耐腐蝕性能。研究發(fā)現(xiàn)，所有薄膜均具有較好的耐腐蝕性能，且耐腐蝕性能優(yōu)于201 不銹鋼。該高熵合金薄膜具有優(yōu)異的耐腐蝕性能的原因是其結(jié)構(gòu)簡單，為FCC 固溶體且不存在元素偏析。

2）高熵合金薄膜的耐腐蝕性能也受到化學(xué)成分的影響。高熵合金薄膜大多含有Ni、Co、Cr、Al 等耐蝕元素，促進(jìn)了鈍化膜的形成，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性能。另外C 元素的加入可以使組織致密，減少氣孔率，同樣可以提高耐腐蝕性能。Lu 等人[19]采用脈沖激光濺射法制備了 CoCrFeNiAl0.3高熵合金薄膜，研究了薄膜的耐腐蝕性能。研究發(fā)現(xiàn)在NaCl 溶液中，該高熵合金薄膜比316L 不銹鋼具有更好的耐腐蝕性能。Braic 等人[16]研究了碳含量對高熵合金碳化物(CuSiTiYZr)Cx薄膜在3.5%NaCl 電解液中的腐蝕行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜展現(xiàn)了優(yōu)異的耐腐蝕性能，并且隨著碳含量的增加，耐腐蝕性能提高。原因是碳含量的增加，在高熵薄膜中形成了非晶相的自由碳，可以阻止碳化物微晶的形成，使薄膜組織細(xì)化致密，減少氣孔率。

3）采用磁控濺射制備的高熵合金薄膜大都結(jié)構(gòu)致密，同樣有利于耐蝕性能的提高。Hsueh 等人[48]采用直流反應(yīng)磁控濺射制備了(AlCrSiTiZr)100-xNx高熵合金薄膜，研究了氮?dú)饬髀屎突灼珘簩辖鸨∧つ透g性能的影響。在不施加基底偏壓的條件下，氮?dú)饬髀蕿?0%時(shí)的高熵合金薄膜具有最佳的耐蝕性能。當(dāng)基底偏壓為-100 V 時(shí)，(AlCrSiTiZr)N 非晶薄膜的耐蝕性能得到有效提高，這可能是由于基底偏壓引起的薄膜致密化效應(yīng)和薄膜存在的壓應(yīng)力所致。

綜上所述，由于晶體結(jié)構(gòu)單一、成分均勻、結(jié)構(gòu)致密，高熵合金薄膜具有較好的耐腐蝕性能。但是，目前對于高熵合金薄膜耐腐蝕性能的研究仍然較少，未來對于高熵合金薄膜耐腐蝕性能的研究可以從以下兩個(gè)方面出發(fā)：1）元素對高熵合金薄膜耐腐蝕性能影響的規(guī)律目前還缺乏系統(tǒng)的研究，特別是非耐蝕元素對高熵合金薄膜的耐腐蝕性能的影響。2）制備工藝及參數(shù)對高熵合金薄膜耐腐性能的影響還有待進(jìn)一步研究，如何制備致密度好、成分均勻、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的耐腐蝕高熵合金薄膜將是今后的重點(diǎn)研究方向之一。

由于耐蝕涂層應(yīng)用廣泛，具有優(yōu)異耐腐蝕性能的高熵合金薄膜將擁有很大的發(fā)展?jié)摿Γ虼嗽O(shè)計(jì)具有超級耐腐蝕性的高熵合金薄膜將是未來的研究熱點(diǎn)。對未來的研究建議如下：1）成分設(shè)計(jì)，可以考慮添加Al、Cr 等耐蝕元素和C、N 和Si 等非金屬元素，并且設(shè)計(jì)非等原子比的高熵合金薄膜；同時(shí)可以結(jié)合計(jì)算模擬等方法，預(yù)測高熵合金薄膜的相組成和耐腐蝕性能，降低研發(fā)成本。2）采用新的制備工藝，例如采用激光脈沖沉積法和真空電弧沉積制備的高熵合金薄膜的致密性更好，可擁有較好的耐腐蝕性能，從而建立起制備高質(zhì)量的高熵合金薄膜的穩(wěn)定工藝制度。3）研究在特殊條件下的高熵合金薄膜的耐腐蝕性能，例如高溫和應(yīng)力存在情況下的高熵合金薄膜的耐腐蝕機(jī)理。

4 結(jié)語

高熵合金薄膜具有很高的硬度和彈性模量、較好的高溫穩(wěn)定性、良好的耐蝕性，在很多領(lǐng)域均展現(xiàn)出了非常大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ錆撛诘膽?yīng)用有以下幾個(gè)方面：1）由于在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性和抗氧化性能，高熵合金薄膜可以作為耐熱涂層使用，例如航空發(fā)動機(jī)和能源領(lǐng)域的渦輪葉片耐熱涂層[46]；2）由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨性能，高熵合金薄膜可以作為切削刀具的硬質(zhì)耐磨涂層[37]；3）由于晶體結(jié)構(gòu)為單一或者是非晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)含有Cr 等耐蝕元素，高熵合金薄膜具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可以作為腐蝕環(huán)境中的耐腐蝕涂層[63]；4）由于高熵合金的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)和晶格畸變效應(yīng)，元素在高熵合金薄膜中擴(kuò)散緩慢，即使其厚度僅有數(shù)十納米，也可以作為微電子電路中的擴(kuò)散阻擋層使用[50,61]；5）如果控制成分中不含毒性元素，則可以作為生物相容性涂層使用，如高熵合金碳化物和氮化物薄膜[51,65]；6）一些結(jié)構(gòu)簡單的高熵合金薄膜具有較強(qiáng)的耐輻射能力，在強(qiáng)輻射環(huán)境中的航天器、反應(yīng)堆等結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中具有較大的應(yīng)用潛力[25,66]。

但是，當(dāng)前對于高熵合金薄膜系統(tǒng)化的研究時(shí)間較短，距離其工業(yè)化應(yīng)用尚有差距。未來對于高熵合金薄膜的研究趨勢主要集中于以下幾個(gè)方面：

1）薄膜成分設(shè)計(jì)的優(yōu)化發(fā)展。目前有關(guān)成分對于薄膜綜合性能影響機(jī)制的研究缺乏系統(tǒng)性的歸納總結(jié)，因此有必要基于材料集成計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立高熵合金薄膜成分精確設(shè)計(jì)方法，提高成分設(shè)計(jì)的高效性，降低新材料開發(fā)成本。

2）薄膜晶體結(jié)構(gòu)形成規(guī)律的研究。目前對于高熵合金薄膜的研究主要集中于力學(xué)性能、物理性能等方面，對于薄膜晶體結(jié)構(gòu)形成規(guī)律的研究相對較少。對于高熵塊體合金，已有一些參數(shù)可以在一定程度上預(yù)測合金的相組成[67-71]，但對于高熵合金薄膜適用性卻較低。此外，現(xiàn)有制備技術(shù)的工藝參數(shù)與高熵合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步探索。因此有必要研究高熵合金薄膜相形成的規(guī)律，這對于高熵合金薄膜的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

3）設(shè)計(jì)和研發(fā)具有超高硬度的薄膜。可以采用結(jié)合摻雜間隙元素C 和N，選擇合適的制備方法，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，制備超細(xì)晶等方法，獲得超高硬度高熵合金薄膜。

4）開發(fā)可以在更寬溫度范圍內(nèi)工作的薄膜。高熵合金薄膜已顯示出優(yōu)異的耐高溫性能，但在更高溫度（超過1000 ℃）下工作的薄膜仍然較為有限。另外，塊體高熵合金（例如合金FeCoNiCrTi0.2[72]和Ni30Co30Fe13Cr15Al6Ti6[73]）在極低溫的環(huán)境（液氮溫度）中展現(xiàn)了比在室溫環(huán)境下更優(yōu)異的力學(xué)拉伸性能。但對于在極低溫度下工作的高熵合金薄膜的研究還未見報(bào)道。因此，開展高熵合金薄膜在更寬服役溫度范圍內(nèi)的相關(guān)研究，對于深空探測領(lǐng)域裝備性能提升與延壽方面具有十分重要的作用。

5）復(fù)雜環(huán)境下高熵合金薄膜耐磨性能和耐腐蝕性能的研究。針對未來的高熵合金薄膜耐磨性能方面的研究，耦合多種環(huán)境介質(zhì)，例如海洋環(huán)境、化工腐蝕、高溫和低溫下的摩擦磨損機(jī)理，以及開發(fā)具有超級耐磨性能的高熵合金薄膜，應(yīng)該是一大研究熱點(diǎn)。同樣，開展在特殊工況條件下的高熵合金薄膜的耐腐蝕性能研究也具有十分重要的意義。