高熵合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)性能的研究綜述

黃卓斌，周青，羅大微，李旗抗，王海豐

高熵合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)性能的研究綜述

黃卓斌，周青，羅大微，李旗抗，王海豐

（西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行中存在的摩擦磨損問題直接影響系統(tǒng)的工作效率、運(yùn)行可靠性和使用壽命。如何降低摩擦磨損對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的影響至關(guān)重要。通過特殊的表面處理工藝在關(guān)鍵工件表面沉積耐磨損、自潤滑的薄膜在眾多的減摩降損方法中效果突出。相較于傳統(tǒng)薄膜，高熵合金薄膜具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能，在摩擦領(lǐng)域表現(xiàn)出極佳的發(fā)展?jié)摿?。概述了近年來有關(guān)高熵合金薄膜的研究進(jìn)展。首先介紹了高熵合金薄膜的基本概念和制備方法，論述了這些制備方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域。其中，通過磁控濺射法制備的高熵合金薄膜的表面光滑致密、成分均勻性好、膜基結(jié)合強(qiáng)度較高、組織結(jié)構(gòu)可控，該方法已成為高熵合金薄膜最常用的制備方法。重點(diǎn)論述了采用磁控濺射法來調(diào)節(jié)元素組分、工藝參數(shù)、界面結(jié)構(gòu)對(duì)高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和摩擦性能的影響，并從耐磨損性和減摩自潤滑性等方面分析改善高熵合金薄膜摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵因素。高熵合金薄膜具有硬質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)、表面光滑致密、膜基結(jié)合牢固等特點(diǎn)，這是提升耐磨損性能的關(guān)鍵。通過復(fù)合自潤滑相或氧化磨損誘導(dǎo)生成致密的潤滑膜，可顯著改善其減摩性能。總結(jié)了目前研究中存在的問題和不足，并就未來高熵合金薄膜在摩擦領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望。

高熵合金薄膜；磁控濺射法；微觀結(jié)構(gòu)；摩擦學(xué)性能；自潤滑

在工業(yè)生產(chǎn)中無法避免由摩擦磨損帶來的負(fù)面效果，如接觸材料間的相互摩擦?xí)?dǎo)致關(guān)鍵零部件的損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)的失效，進(jìn)而引發(fā)重大的安全生產(chǎn)事故，因此如何克服接觸材料帶來的摩擦磨損問題成為材料學(xué)和摩擦學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)攻關(guān)方向。隨著空間、深海、極地等探測技術(shù)的深入發(fā)展，如高載荷、寬溫域、強(qiáng)輻照等極端工況條件對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的耐磨損性能提出了更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。在如此苛刻工況下，在關(guān)鍵零部件表面涂抹傳統(tǒng)的潤滑油或潤滑脂已難以滿足要求，為此亟需探究一種新型自潤滑耐磨固體材料，以應(yīng)對(duì)極端工況下的應(yīng)用需求。

近年來，研究者們對(duì)高性能合金材料進(jìn)行了深度開發(fā)。由Yeh等[1]和Cantor等[2]分別提出的多主元高熵合金設(shè)計(jì)理念逐漸被人們所關(guān)注。與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金提供了嶄新的合金設(shè)計(jì)思路：由5種或5種以上的合金元素按等摩爾比或近等摩爾比的組合（每種元素的占比為5%～35%）混合而成。其中，多主元組合往往會(huì)大幅提高合金體系的構(gòu)型熵，因此大多數(shù)高熵合金表現(xiàn)出獨(dú)特的固溶體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，多主元組合還將引起嚴(yán)重的晶格畸變效應(yīng)，使得高熵合金兼具高比強(qiáng)度[3]、高硬度[4]、高耐蝕性[5]及抗氧化性[6]等優(yōu)異的力學(xué)和物理化學(xué)性能。由此可見，在復(fù)雜極端的耦合工況下高熵合金具有廣闊的摩擦學(xué)應(yīng)用前景。然而，將現(xiàn)有的關(guān)鍵零部件全都更換為高熵合金，并不符合實(shí)際的成本效益，難以將其推向規(guī)?；a(chǎn)。高熵合金薄膜在具有塊體合金的優(yōu)異性能的同時(shí)，因其尺寸較小限制了晶粒長大的空間，促進(jìn)了納米晶的生成，使其力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于同組分下的塊體高熵合金。由此，在實(shí)際生產(chǎn)中可以利用特定的表面技術(shù)將高熵合金薄膜涂覆于現(xiàn)有的機(jī)械零部件表面，這既可賦予機(jī)械零部件優(yōu)異的表面性能，又保持了零部件原有的力學(xué)性能，減少了成本，這無疑是一種改善材料耐磨性能的有效策略。

文中將以高熵合金薄膜為論述對(duì)象，圍繞其制備方法、微觀結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能等方面進(jìn)行簡要介紹，并從耐磨損性和減摩自潤滑性等方面分析探討改善高熵合金薄膜摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵因素，總結(jié)當(dāng)前高熵合金薄膜研究過程中的優(yōu)勢和不足，并就其未來的研究方向和應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 高熵合金薄膜的制備方法

目前，已發(fā)展出多種工藝方法來制備高熵合金薄膜，根據(jù)其原理和產(chǎn)品特點(diǎn)，可分為磁控濺射法[7]、激光熔覆法[8]、等離子噴涂法[9]、電化學(xué)沉積法[10]等。相較于常規(guī)薄膜，由于高熵合金薄膜具有多組元特點(diǎn)，采用以上制備方法可靈活控制原始靶材、預(yù)制粉末的元素種類和含量，調(diào)控薄膜的成分組成，進(jìn)而影響薄膜的相結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能。這里重點(diǎn)介紹了各類方法的制備原理，并總結(jié)了各種制備方法較適合制備的高熵合金材料體系、基底材料和工況條件，討論并比較了各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以尋求制備高熵合金耐磨損自潤滑薄膜最佳的制備方法。

1.1 磁控濺射法

采用磁控濺射法制備高熵合金薄膜的原理如圖1a所示[11]。首先利用腔內(nèi)的電場使氬氣發(fā)生電離，產(chǎn)生大量高能的Ar+離子。隨后，Ar+在電場的作用下轟擊預(yù)制靶材表面，經(jīng)過能量交換，原子在預(yù)制靶材表面發(fā)生濺射，并通過內(nèi)部磁場使原子發(fā)生定向移動(dòng)，最終在基底表面形成薄膜。原子具有隨機(jī)碰撞性，采用磁控濺射法制備的高熵合金薄膜往往呈現(xiàn)出典型的固溶體結(jié)構(gòu)，且薄膜質(zhì)量光滑致密、成分均勻。其中，濺射靶材一般通過常規(guī)塊體制備方法（如電弧熔煉法或粉末冶金法）制得。相較于傳統(tǒng)薄膜，高熵合金薄膜具有多組元的特點(diǎn)，采用磁控濺射法制備高熵合金薄膜在靶材的選擇上具有較大的靈活性。如圖1b所示[12]，可將多塊單質(zhì)靶材拼接成“圓餅狀”，并在單一靶位上進(jìn)行濺射沉積[13-14]，或?qū)⒍鄩K含不同元素的靶材在多個(gè)靶位上同時(shí)進(jìn)行共沉積濺射[15]，以獲得含多主元的高熵合金薄膜，縮短了生產(chǎn)周期。由于磁控濺射法僅涉及靶材的物理濺射過程，無需將其加熱熔化，因此十分適合于如TiZrHfNb、NbMoWTa等的難熔高熵合金體系。Song等[16]采用磁控濺射法制備了TaZrHfNb高熵合金薄膜，所得薄膜表面光滑致密，整體硬度高達(dá)15.3 GPa。當(dāng)所需薄膜的成分較復(fù)雜時(shí)，如在CoCrFeNiMn高熵合金中引入Mo、V、Ce等元素，通過電弧熔煉或粉末冶金制備的靶材會(huì)較易析出第二相，從而影響薄膜的質(zhì)量，采用多靶共沉積法可以很好地解決這一問題。Zhao等[17]利用CoCrFeMnNi靶和單質(zhì)Mo靶進(jìn)行共沉積，制備了CoCrFeMnNiMo高熵合金薄膜，發(fā)現(xiàn)加入Mo后會(huì)促使薄膜均勻致密、晶粒細(xì)化，大幅提升了薄膜的硬度和耐磨性。Fang等[18]研究了不同V含量對(duì)CoCrFeMnNi高熵薄膜的相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著V含量的增加，薄膜從FCC相向單一非晶相轉(zhuǎn)變，且屈服強(qiáng)度得到提升。由此可見，通過多靶共沉積法可靈活調(diào)控薄膜的元素配比，無需在每次沉積前制備不同元素配比的高熵合金靶材。此外，采用磁控濺射法可在高熵合金薄膜沉積過程中引入活性氣體（N2、O2、CH4等），制備得到相應(yīng)的高熵合金化合物薄膜，這一方法稱為反應(yīng)濺射[19]。Ren等[20]在制備不同N含量的（AlCr-MnMoNiZrB）N薄膜的過程中，發(fā)現(xiàn)薄膜在低氮量時(shí)呈現(xiàn)疏松的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，而在高氮量時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿腇CC相結(jié)構(gòu)，同時(shí)氮元素的引入提升了固溶強(qiáng)化作用，從而使薄膜具有較高的硬度和彈性模量。由于在薄膜濺射過程中基底并不會(huì)發(fā)生變化，因此采用磁控濺射法理論上可以在各類基底（如合金基底、硅基底、陶瓷基底等）表面沉積高熵合金薄膜，這將使磁控濺射法在摩擦磨損、催化、光伏等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[21-22]。

1.2 激光熔覆法

激光熔覆法以高能激光束為熱源，將預(yù)制的高熵合金粉末和基底近表面同時(shí)熔化，并經(jīng)快速凝固后在基底表面形成高熵合金涂層，涂層與基底之間為冶金結(jié)合。所制備的高熵合金涂層通常較厚，且膜基結(jié)合強(qiáng)度較高，可滿足高載荷、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻照等復(fù)雜的工況條件。Cui等[23]采用激光熔覆法在4Cr5MoSiV鋼表面成功地制備了FeCoCrNiMnAl高熵合金薄膜，Al元素的加入促進(jìn)了薄膜從FCC相向FCC+B2相的轉(zhuǎn)變，同時(shí)晶粒得到細(xì)化，大幅提高了基底鋼材在高溫環(huán)境下的抗氧化性能和耐磨性能。由于在制備過程中需要將高熵合金粉末和基底進(jìn)行熔化，因此不太適合于難熔高熵合金體系，同時(shí)基底的選擇只局限于合金基底，這極大地限制了它在陶瓷等高熔點(diǎn)工件表面的工程應(yīng)用。采用該方法在熔覆過程中往往會(huì)因激光能量過大，導(dǎo)致基底元素?cái)U(kuò)散稀釋至涂層內(nèi)部，這極大地影響了高熵合金涂層的組成和性能。Yue等[24]利用激光熔覆法在鎂基板上制備AlCoCrCuFeNi高熵合金涂層時(shí)，發(fā)現(xiàn)Mg元素會(huì)進(jìn)入涂層底部，Cu元素則進(jìn)入Mg熔體，在膜基結(jié)合界面處凝固，形成了Mg–Cu枝晶，如圖2所示。這是由于元素之間的相互擴(kuò)散導(dǎo)致膜基界面間生成了枝晶結(jié)構(gòu)，這對(duì)薄膜的結(jié)合強(qiáng)度和綜合性能會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

圖1 磁控濺射法制備高熵合金薄膜[11-12]

圖2 采用激光熔覆法在Mg基底上制備的AlCoCrCuFeNi涂層在不同深度下的組織截面[24]

1.3 等離子噴涂法

等離子噴涂法以直流等離子弧為熱源，將涂覆材料加熱至熔融態(tài)或半熔融態(tài)，并將其加速噴涂至基底表面，從而形成一定厚度的薄膜材料。由于等離子噴涂的火焰溫度較高、能量較集中，因此形成的薄膜晶粒尺寸細(xì)小、均勻。Xiao等[25]采用等離子體噴涂法制備了FeCoNiCrSiAl高熵合金薄膜，它呈現(xiàn)出典型的層狀結(jié)構(gòu)，其中還存在內(nèi)部孔洞和氧化物夾雜。這是由于等離子噴涂的制備環(huán)境為大氣環(huán)境，熔融態(tài)顆粒極易與空氣反應(yīng)，所形成的氧化物顆粒會(huì)殘留在薄膜中。同時(shí)，由于顆粒與顆粒之間結(jié)合得不夠緊密，因此在宏觀上表現(xiàn)為孔洞缺陷，導(dǎo)致薄膜開裂，進(jìn)一步影響薄膜的摩擦學(xué)性能，這是阻礙等離子噴涂技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵所在。Jin等[26]在采用等離子噴涂法制備AlCoCrFeNiSi薄膜后，再使用激光重熔處理可以很好地消除內(nèi)部孔洞和薄膜開裂等問題。由于等離子流的能量較高，因此理論上可以熔化并噴涂高熔點(diǎn)的合金或陶瓷材料[27]，如難熔高熵合金薄膜、高熵合金化合物薄膜等，這將為制備適應(yīng)超高溫環(huán)境的高熵合金耐磨薄膜材料提供可行路徑。

1.4 電化學(xué)沉積法

電化學(xué)沉積法是金屬離子以電解質(zhì)溶液為介質(zhì)在外電場作用下實(shí)現(xiàn)遷移，在到達(dá)電極時(shí)使得電子放電，并在電極上沉積成膜的方法。Popescu等[28]采用電化學(xué)沉積法在DMSO（二甲基亞砜）?CH3CN電解質(zhì)下加入Co2+、Cr3+、Fe2+、Mn2+、Ni2+，成功制備了CoCrFeMnNi薄膜，如圖3所示。由圖3可知，在薄膜表面存在大量的微裂紋和合金顆粒。采用電化學(xué)沉積法制備高熵合金薄膜不需要復(fù)雜的設(shè)備，具有成本低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，為制備高熵合金薄膜提供了可能性。然而，電化學(xué)沉積法要求基底必須為導(dǎo)電材料，同時(shí)由于高熵合金薄膜具有多主元的成分特性，采用電化學(xué)沉積法制備高熵合金薄膜的難點(diǎn)在于尋找合適的電解液，使5種或5種以上金屬離子同時(shí)均勻地溶解其中，且需保證在電極放電時(shí)同時(shí)沉積，其工藝參數(shù)及電解質(zhì)溶液均難以調(diào)控，難以制備出硬質(zhì)的高熵合金化合物薄膜。目前，采用電化學(xué)沉積法制備高熵合金薄膜仍處于起步階段，對(duì)其工藝參數(shù)、離子沉積規(guī)律、電解質(zhì)制備環(huán)境等關(guān)鍵要素尚未探明，仍需進(jìn)行深層次的探索。

總結(jié)了磁控濺射法、激光熔覆法、等離子噴涂法和電化學(xué)沉積法的工藝特點(diǎn)，見表1。其中，磁控濺射法可以在任意材質(zhì)基底上沉積，通過更改工藝參數(shù)來調(diào)控晶粒的尺寸、組織結(jié)構(gòu)及性能，已成為目前高熵合金最常用的薄膜制備方法。鑒于此，以下將重點(diǎn)分析采用磁控濺射法對(duì)高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵影響因素。

圖3 采用電化學(xué)沉積法制備的CoCrFeMnNi薄膜在不同倍率下的表面形貌[28]

表1 磁控濺射法、激光熔覆法、等離子噴涂法和電化學(xué)沉積法的工藝特點(diǎn)[8,25,29-32]

Tab.1 Technology characteristics of magnetron sputtering, laser cladding, plasma spray and electrochemical deposition[8,25,29-32]

2 高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)

高熵合金薄膜具有獨(dú)特的“高熵效應(yīng)”，使其容易形成單相固溶體結(jié)構(gòu)，避免了脆性金屬間化合物的形成。同時(shí)，由于薄膜制備方法的冷卻速率較高，在制備過程中往往表現(xiàn)出“快速淬火”效應(yīng)[33]，即薄膜中的元素沒有足夠的時(shí)間充分?jǐn)U散，抑制了晶粒形核和長大過程，因而較易出現(xiàn)非晶或納米晶組織。高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)主要受到元素組分、相結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)等方面的影響，它們的協(xié)同作用將共同影響薄膜的摩擦學(xué)性能。Braic等[34]發(fā)現(xiàn)向TiZrNbHfTa體系分別引入N、C元素，大幅降低了其摩擦因數(shù)及磨損率。這是由于向原高熵合金體系中添加N、C等元素促進(jìn)了晶格的畸變，在提升薄膜強(qiáng)度的同時(shí)，又可在摩擦過程中形成自潤滑相。Jiang等[35]采用激光熔覆法制備了CoFeNiVNb高熵合金涂層，發(fā)現(xiàn)FCC固溶體與硬質(zhì)Fe2Nb型Laves相結(jié)合，既阻礙了嚴(yán)重的塑性變形，又避免了脆性斷裂的發(fā)生，可顯著提高涂層的耐磨性能。由此可見，高熵合金薄膜內(nèi)部的晶格畸變、相組成等微觀結(jié)構(gòu)將直接影響薄膜的耐磨損和自潤滑行為，從而對(duì)其摩擦學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。由此可見，對(duì)高熵合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致表征是分析其摩擦行為的關(guān)鍵。這里將圍繞元素組分、濺射工藝參數(shù)及界面結(jié)構(gòu)等方面展開討論，以研究它們對(duì)高熵合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

2.1 元素組分

首先，元素組分是影響高熵合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)的重要因素，尤其是相結(jié)構(gòu)。例如Feng等[36]通過共沉積法研究了不同Al含量對(duì)CoCrFeNi高熵合金薄膜相結(jié)構(gòu)的影響，其相結(jié)構(gòu)演變?nèi)鐖D4所示?？梢钥闯觯珹l元素的引入可使晶格體系從FCC向BCC轉(zhuǎn)變；衍射峰向低衍射角移動(dòng)，表明晶格參數(shù)隨著Al含量的增加而增加。Braeckman等[37-38]依次研究了Nb、Ge、In等3種元素對(duì)CoCrCuFeNi高熵合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響，均發(fā)現(xiàn)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)從FCC單相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)結(jié)構(gòu)，且出現(xiàn)了納米晶嵌入非晶態(tài)基體中的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。這是由于引入的大尺寸原子容易導(dǎo)致原有體系發(fā)生嚴(yán)重的晶格畸變，以致晶格坍塌，形成了新相，甚至形成了無序的非晶結(jié)構(gòu)。此外，利用反應(yīng)濺射法還可向高熵合金薄膜中引入C、O、N等非金屬元素，以形成硬質(zhì)的高熵合金化合物薄膜。C元素可由石墨靶和高熵合金靶的共濺射引入，也可通入甲烷、乙炔等活性氣體進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射引入。Fritze等[39]發(fā)現(xiàn)，采用磁控濺射在制備CrNbTaTiW涂層的過程中引入C元素將使涂層由BCC結(jié)構(gòu)向FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而獲得更高的硬度和彈性模量。O和N元素可采用通入氧氣和氮?dú)獾姆椒ㄒ搿uang等[40]在制備AlCoCrCu0.5NiFe高熵合金薄膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，引入O原子可使薄膜形成HCP相。Kim等[41]發(fā)現(xiàn)，在TiZrHfNiCuCo高熵體系中原本的合金薄膜呈非晶態(tài)的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，隨著N的滲入誘使薄膜晶化，并轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC相的致密結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變在多數(shù)高熵合金氮化物（如AlCrMnMoNiZr[19]、AlCrMoNiTi[42]、AlTiZrTaHf[43]等）體系中均有類似表現(xiàn)。然而，在AlCoCrCuFeNi、AlCoCrCuFeNiMn體系中原有的合金薄膜呈FCC或BCC+FCC混合固溶體結(jié)構(gòu)，隨著氮?dú)饬髁康脑龆啵湎嘟Y(jié)構(gòu)趨于非晶化[7, 44]。可見高熵合金氮化物薄膜的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與合金元素和氮原子的結(jié)合強(qiáng)度密切相關(guān)。當(dāng)薄膜中存在較多的易形成氮化物的元素（如Al、Cr、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta）時(shí)，原合金薄膜往往呈現(xiàn)為非晶結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁吭黾訒r(shí)，促使薄膜晶化，從而轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC結(jié)構(gòu)。當(dāng)存在較多的難形成氮化物的元素（如Co、Fe、Ni、Mn、Cu）時(shí)，原合金薄膜往往呈現(xiàn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，氮?dú)饬髁康脑黾訒?huì)誘使薄膜向非晶化轉(zhuǎn)變。這是由于易形成氮化物的元素與氮原子之間往往生成了較強(qiáng)的Me?N鍵，增加了體系的混合焓，從而促使其發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變。目前，對(duì)于難形成氮化物的元素轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)結(jié)構(gòu)的具體機(jī)制尚未明確，較認(rèn)可的機(jī)制是大量的氮元素以間隙原子的形式存在于薄膜中，降低了體系的吉布斯自由能，并為晶格體系帶來了嚴(yán)重的晶格畸變[44]。總結(jié)了通過磁控濺射法制備高熵合金氮化物薄膜的膜厚、相結(jié)構(gòu)及硬度等特征信息，見表2。從表2可以看出，高熵合金氮化物薄膜具有硬度高的特點(diǎn)，但仍存在部分體系氮化物薄膜硬度較低的問題，這與體系中難形成氮化物的元素密切相關(guān)。此外，氮化物薄膜中的氮含量、晶粒尺寸、殘余應(yīng)力和致密度等因素對(duì)薄膜的力學(xué)性能也有顯著影響[33]。由此，在設(shè)計(jì)高硬度、高耐磨等高性能氮化物薄膜時(shí)，應(yīng)避免高含量的難形成氮化物的元素對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)還需注意制備工藝對(duì)薄膜性能的影響。

圖4 AlxCoCrFeNi （x為0、0.1、0.3、0.8、1.5）高熵合金薄膜的XRD圖譜[36]

2.2 濺射工藝參數(shù)

改變?yōu)R射工藝參數(shù)對(duì)高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)也有顯著影響。Song等[16]在研究基底溫度對(duì)TaNbHfZr薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，提高基底溫度可以促使薄膜的相結(jié)構(gòu)從非晶態(tài)相向BCC相轉(zhuǎn)變。這是由于濺射原子到達(dá)基底表面的擴(kuò)散能力隨著基底溫度的提升而顯著提高，促進(jìn)了晶粒的生長，同時(shí)消除了由非晶態(tài)引起的孔洞邊界[54]。這在沉積CoCrFeNiMn薄膜的研究中也表現(xiàn)出相似的變化[55]。與基底溫度相似，濺射功率也能影響高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)。Hu等[56]研究發(fā)現(xiàn)，隨著濺射功率的增加，CoNiV薄膜由納米晶–非晶的雙相復(fù)合結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閱我患{米晶結(jié)構(gòu)，再到完全非晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。事實(shí)上，調(diào)控濺射功率可改變原子的表面擴(kuò)散效應(yīng)與沉積效應(yīng)之間的競爭關(guān)系，進(jìn)而影響相結(jié)構(gòu)。在提高濺射功率時(shí)，濺射原子獲取的動(dòng)能增大，其擴(kuò)散速率和沉積速率均得到提升；原子表面擴(kuò)散速率的提升會(huì)加速表面原子的重排，從而促進(jìn)薄膜晶化，沉積速率的提升則會(huì)導(dǎo)致無序的原子到達(dá)基底表面重排的有效時(shí)間減少，從而促進(jìn)非晶化。由此可見，在低濺射功率下，表面擴(kuò)散效應(yīng)起著主導(dǎo)作用，促使材料從晶體–非晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶的單一結(jié)構(gòu)；在高濺射功率下，沉積效應(yīng)起著主導(dǎo)作用，促使薄膜形成非晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)，濺射功率會(huì)直接影響濺射原子的擴(kuò)散速率，因而晶粒尺寸受濺射功率影響的趨勢與晶格變化一致。表面擴(kuò)散效應(yīng)與沉積效應(yīng)的競爭關(guān)系對(duì)相組成和晶粒尺寸的影響如圖5所示。就高熵合金氮化物薄膜而言，基底溫度和濺射功率對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響效果類似[57]。此外，在基片端施加偏壓將增大靶材原子轟擊在基片上的能量，影響涂層的微觀結(jié)構(gòu)。Shen等[58]在制備(Al1.5CrNb0.5Si0.5Ti)N時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基底偏壓由0 V變?yōu)楱C100 V時(shí)，涂層由典型的柱狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿臒o特征結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸由70 nm細(xì)化至5 nm。同時(shí)，較高的基片偏壓能增強(qiáng)膜基之間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而改善薄膜的耐磨性能。除了改變基底的沉積工藝，采用不同電源類型的磁控濺射也能改變高熵合金涂層的微觀結(jié)構(gòu)。與一般的直流磁控濺射相比，高功率脈沖磁控濺射能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電離度和更高的峰值功率，所制備的高熵合金涂層的微觀結(jié)構(gòu)更致密，其硬度和彈性模量更高[59]。

表2 磁控濺射制備高熵合金氮化物薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[7,45-53]

Tab.2 Microstructures and mechanical properties about HEA-based nitride films fabricated by magnetron sputtering[7,45-53]

2.3 界面結(jié)構(gòu)

由于磁控濺射法采用的靶材及制備工藝靈活多變，薄膜的界面結(jié)構(gòu)易于調(diào)控，因此可從納米尺度改善高熵合金薄膜的界面結(jié)構(gòu)，并賦予其優(yōu)異的力學(xué)和摩擦學(xué)性能。Cao等[60]在M2鋼基底上制備了CoCrNi/Ti多層薄膜，在薄膜頂部CoCrNi表現(xiàn)為FCC結(jié)構(gòu)，而在底部表現(xiàn)為BCC+FCC結(jié)構(gòu)，且每層薄膜均表現(xiàn)為柱狀晶結(jié)構(gòu)。相較于單層膜，其多層界面結(jié)構(gòu)在變形過程中誘發(fā)了穩(wěn)定的剪切帶，因而具有優(yōu)異的損傷容限性。Cao等[61-62]設(shè)計(jì)了CoCrNi/NbMoWTa（FCC/BCC）雙相多層界面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)亞層厚度對(duì)層間界面處的相結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生決定性的影響，亞層厚度過小時(shí)會(huì)促使薄膜向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變；當(dāng)保持合適的亞層厚度時(shí)，F(xiàn)CC和BCC的雙相耦合作用可使薄膜實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和均勻塑性應(yīng)變的優(yōu)異結(jié)合。Wu等[63]提出了“共生高熵合金薄膜”的新理念，制備了CoCrNi/TiZrHfNb共生多層膜結(jié)構(gòu)，其中CoCrNi表現(xiàn)為HCP相，TiZrHfNb表現(xiàn)為非晶相，如圖6所示。由于在濺射過程中兩相之間的元素發(fā)生了動(dòng)態(tài)分配，導(dǎo)致非晶相在高溫下穩(wěn)定存在，同時(shí)穩(wěn)定的兩相結(jié)構(gòu)使得合金具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性。由此可見，通過為高熵合金薄膜設(shè)計(jì)合理的界面結(jié)構(gòu)，可以賦予其優(yōu)異的力學(xué)性能，并有望為改善薄膜的摩擦學(xué)性能提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的新思路。

圖5 表面擴(kuò)散效應(yīng)和沉積效應(yīng)的競爭關(guān)系[56]

圖6 CoCrNi/TiZrHfNb晶體?非晶共生合金的組織結(jié)構(gòu)[63]

3 高熵合金薄膜摩擦學(xué)性能

耐磨損性能和減摩自潤滑性能是評(píng)判高熵合金薄膜摩擦學(xué)性能優(yōu)劣的兩大方面。對(duì)于耐磨損性能而言，根據(jù)經(jīng)典的Archard理論[64]和Bowden理論[65]可知，材料的磨損行為由犁溝效應(yīng)和黏著效應(yīng)共同影響。其中，當(dāng)材料硬度較高時(shí)，摩擦副壓入深度較淺，對(duì)磨副與材料表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的犁溝效應(yīng)較輕；薄膜的表面粗糙度和膜基的結(jié)合強(qiáng)度對(duì)黏著效應(yīng)的影響較大。這兩大效應(yīng)的共同作用將決定薄膜的耐磨損性能。對(duì)于減摩自潤滑性能，往往依靠薄膜制備或磨損過程中形成的潤滑相產(chǎn)生的作用。這里將圍繞高熵合金薄膜的耐磨損性能和減摩自潤滑性能進(jìn)行討論，并分析影響高熵合金薄膜摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

3.1 耐磨損性能

近年來，為了改善高熵合金薄膜的耐磨損性能，研究人員為此進(jìn)行了大量的嘗試，發(fā)現(xiàn)高熵合金薄膜的耐磨損性能由多方面的因素決定。其中，元素組分體系是決定薄膜耐磨損性能的根本因素，從組分特性、晶格特征等方面影響薄膜的耐磨損性能。此外，除了優(yōu)化“先天”的元素組分以外，還可以從以下3個(gè)方面為高熵合金薄膜的耐磨損性能進(jìn)行“后天”改良。

1）通過引入額外元素來促使薄膜形成強(qiáng)度更高的晶粒組織和相結(jié)構(gòu)，從而提升薄膜的表面硬度，提升其抗塑性變形能力，進(jìn)而改善薄膜的耐磨損性能。采用這種方式進(jìn)行強(qiáng)化的元素有Mo、V、Al、N等，它們能夠使較軟的FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛操|(zhì)的BCC結(jié)構(gòu)或非晶結(jié)構(gòu)。Zhao等[17]在沉積CoCrFeNiMn高熵合金薄膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，引入Mo元素可以促使薄膜致密化、晶粒細(xì)化，同時(shí)促進(jìn)其相結(jié)構(gòu)從FCC向FCC+BCC混合相轉(zhuǎn)變。原子半徑較大的Mo原子以替代原子的形式存在于晶格結(jié)構(gòu)中，加劇了晶格的畸變，使薄膜的硬度從8.5 GPa提高至12 GPa，大大提升了薄膜的損傷容限。Mo含量較高的薄膜在磨損過程中產(chǎn)生的磨屑更少，形成的犁溝更淺，這表明引入Mo元素可以大幅改善CoCrFeNiMn高熵合金薄膜體系的耐磨損性能。Fang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，加入少量V元素可以激發(fā)CoCrFeNiMn高熵合金薄膜內(nèi)部形成大量的納米孿晶，納米孿晶的產(chǎn)生有效阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使薄膜的加工硬化能力得以提升，進(jìn)而大幅提高了薄膜材料的硬度和屈服強(qiáng)度，有效增加了變形抗力。Sha等[47]在CoCrFeNiMn高熵合金薄膜里引入了N原子，形成了高熵氮化物薄膜，研究結(jié)果表明，N原子能夠誘使薄膜向BCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，使得薄膜的硬度大幅提升。由于氮化物具有硬度高、抗氧化等特點(diǎn)，它在摩擦過程中出現(xiàn)犁溝和氧化磨損等現(xiàn)象顯著減少，含N量較高的薄膜具有更平整、光滑的磨損表面。此外，氮化物薄膜形成的致密納米晶結(jié)構(gòu)還能有效阻礙氯原子的腐蝕，使其具備優(yōu)異的腐蝕磨損能力[53]。由于高熵合金存在獨(dú)特的晶格畸變效應(yīng)，改變元素種類和含量往往會(huì)影響薄膜體系的原子尺寸，進(jìn)而改變薄膜體系中的相結(jié)構(gòu)，影響其摩擦學(xué)性能。由此，可通過成分設(shè)計(jì)優(yōu)化從根本上調(diào)控高熵合金薄膜的摩擦學(xué)性能。

2）改善薄膜的表面質(zhì)量，光滑且致密的薄膜可以有效地降低對(duì)磨副的刮擦作用。由于粗糙表面具有較小的接觸面積和較大的接觸應(yīng)力，因而當(dāng)對(duì)磨副與粗糙表面接觸并發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)容易到達(dá)薄膜的載荷極限，從而使薄膜材料發(fā)生剝落失效。Ren等[20]研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)AlCrMnMoNiZrB高熵合金薄膜進(jìn)行滲氮處理，可以促使其表面團(tuán)簇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻那驙罹Я?，減少了柱狀晶之間的孔洞和間隙缺陷，使薄膜結(jié)構(gòu)更加致密，薄膜表面更加光滑，進(jìn)而降低對(duì)磨副在滑動(dòng)過程中的阻力，降低了薄膜的摩擦因數(shù)，極大地避免了早期摩擦過程中的剝落失效，有效提升了其耐磨損性能。除了滲氮處理，采用調(diào)控濺射工藝也能有效地改善薄膜的表面質(zhì)量，如改變沉積功率、基底偏壓、濺射電源的種類等。Wang等[66]研究了不同沉積功率對(duì)CoNiVAl高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，沉積功率會(huì)直接影響薄膜的晶粒間隙率，晶粒之間的空隙過大會(huì)導(dǎo)致薄膜在摩擦過程中發(fā)生剝落脫離。Lo等[51]研究了基底偏壓對(duì)(AlCrNbSiTiMo)N高熵合金氮化物薄膜耐磨損性能的影響，結(jié)果表明，基底偏壓的增大能夠有效提升薄膜的耐磨損性能。這是因?yàn)楫?dāng)基底偏壓增大時(shí)，濺射原子能夠獲得更大的動(dòng)能撞擊基底，促使其發(fā)生重濺射效應(yīng)，并誘發(fā)大量的空位缺陷，抑制晶粒長大；另一方面，基底表面吸附原子可從高能濺射原子中獲取能量，增加了吸附原子的遷移率，在空位缺陷處發(fā)生形核。由此可見，基底偏壓越大，薄膜晶粒組織越光滑致密，耐磨損性能更好。

3）改善薄膜與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，膜基結(jié)合強(qiáng)度越高，則可以承受更大的載荷、較長時(shí)間的滑動(dòng)，即耐磨損性能越好。這是由于在摩擦磨損過程中存在黏著效應(yīng)，當(dāng)膜基結(jié)合較弱時(shí)往往會(huì)發(fā)生膜基的脫落失效。Cheng等[67]在研究改善(AlCrTaTiZr)N高熵合金氮化物薄膜的耐磨損性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，高熵合金氮化物薄膜與基底之間的結(jié)合強(qiáng)度往往較差，在較低載荷下會(huì)發(fā)生膜基脫落失效的現(xiàn)象。在沉積薄膜前，預(yù)先在基底沉積一層適當(dāng)厚度的過渡層材料（Ti、Cr），可以有效地改善膜基的結(jié)合強(qiáng)度，并在相同載荷下能夠承受更長時(shí)間的滑動(dòng)摩擦。除了引入額外的過渡層，通過沉積后熱處理也能改善膜基間的結(jié)合強(qiáng)度。Alvi等[21]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)CuMoTaWV高熵合金進(jìn)行300 ℃退火后，相較于沉積態(tài)薄膜，膜基結(jié)合力得到增強(qiáng)，其磨損率可降低2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.2 減摩自潤滑性能

隨著高精尖科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的潤滑油或潤滑脂已難以滿足極端環(huán)境下服役裝備的使用需求。在提升高熵合金耐磨損性能的同時(shí)，仍需深入研究如何改善其減摩自潤滑性。在針對(duì)塊體合金的研究中，一般通過添加額外的成分或物相（如軟金屬Ag[68]、二維材料石墨烯[69]、金屬化合物MoS2[70]等）使合金在制備過程中與自潤滑相復(fù)合，或在滑動(dòng)磨損過程中因氧化誘導(dǎo)產(chǎn)生具有自潤滑特性的化合物，進(jìn)而降低摩擦因數(shù)，提高材料的減摩性能。

由于磁控濺射法具有較好的靈活性，能夠便捷地通過改變制備工藝來控制薄膜的成分及微觀結(jié)構(gòu)，因此采用該方法有望獲得具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的自潤滑高熵合金薄膜。筆者所在團(tuán)隊(duì)沿襲軟金屬與高熵合金薄膜相結(jié)合的思路，成功制備出了自潤滑高熵合金多層膜[71]。利用磁控濺射法制備了含不同亞層厚度的NbMoWTa/Ag自潤滑多層膜，發(fā)現(xiàn)添加Ag后既能賦予該多層膜優(yōu)異的自潤滑特性，還能避免因摻雜軟金屬所導(dǎo)致的軟化，在保持高硬度的同時(shí)改善了摩擦學(xué)性能。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著亞層厚度的降低，由于界面處的晶格失配較大，導(dǎo)致該多層膜的強(qiáng)化機(jī)制從傳統(tǒng)的霍爾?佩奇關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楣哺駨?qiáng)化機(jī)制。脆性的NbMoWTa膜在摩擦過程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的局部剝落及分層，導(dǎo)致表面完整性降低，而Ag的添加可使摩擦過程中覆蓋大面積的Ag潤滑膜，降低了薄膜與對(duì)磨副之間的直接接觸和剪切強(qiáng)度，表現(xiàn)為低摩擦因數(shù)，同時(shí)抵抗了外加載荷的磨損行為，因此可大幅降低多層膜的表面損傷，如圖7所示。然而，摩擦因數(shù)與磨損率存在著特殊的權(quán)衡關(guān)系，即亞層厚度較大的多層膜雖擁有較低的摩擦因數(shù)，但會(huì)因其力學(xué)性能顯著降低而帶來嚴(yán)重的磨損。該工作為開發(fā)具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的新型自潤滑高熵合金薄膜開辟了新的研究思路。值得注意的是，在界面處選取具有適當(dāng)晶格失配的固體潤滑劑，以及控制合適的亞層厚度是制備性能優(yōu)異的高熵合金自潤滑多層膜的關(guān)鍵。

圖7 NbMoWTa薄膜和NbMoWTa/Ag多層膜的摩擦學(xué)性能[71]

在摩擦過程中，添加了特定元素的高熵合金薄膜會(huì)因氧化誘導(dǎo)原位生成具有潤滑特性的氧化物，以此提升其自潤滑性能。Lo等[51]在設(shè)計(jì)適用于高溫環(huán)境下的高熵合金薄膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，(AlCrNbSiTiMo)N高熵合金氮化物薄膜在高溫摩擦?xí)r其摩擦因數(shù)較室溫下大幅降低，這歸因于薄膜表面形成的MoO3氧化物，該物質(zhì)具有的二維層狀結(jié)構(gòu)可為薄膜表面提供良好的潤滑性能。Tillmann等[72]采用磁控濺射技術(shù)制備了TiAlVN涂層，發(fā)現(xiàn)其在高溫磨損過程中因氧化可以產(chǎn)生具有自潤滑特性的V2O5，該潤滑相的產(chǎn)生顯著降低了薄膜在高溫下的摩擦因數(shù)和表面磨損。一般而言，含Mo、V、Al、Ti等元素的高熵合金薄膜在高溫磨損下均較易被氧化，形成結(jié)構(gòu)致密的氧化物相，在磨損過程中降低對(duì)磨副與薄膜之間的剪切強(qiáng)度，能帶來顯著的減摩效果。除了生成帶有潤滑特性的氧化物相，摩擦過程帶來的氧化還將使高熵合金薄膜的相結(jié)構(gòu)發(fā)生演變，從相組成的角度出發(fā)改善薄膜的摩擦學(xué)性能。Liu等[73]采用共沉積法制備了(TiNbZr)75Ag25高熵合金薄膜，可大幅提升薄膜的自潤滑性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Ag元素在摩擦過程中會(huì)吸附氧元素，致使薄膜表層生成非晶態(tài)氧化物，進(jìn)而形成晶體?非晶納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。該特殊的復(fù)合結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步抵抗外加載荷，大幅提升薄膜的耐磨性能。

綜上所述，高熵合金因其多主元的設(shè)計(jì)理念，極大地豐富了薄膜的材料體系，能夠有效克服傳統(tǒng)合金的不足，在摩擦材料的選材方面具有更多的選擇。同時(shí)，由于高熵薄膜制備工藝的靈活性較大，可根據(jù)所需材料的性質(zhì)，及時(shí)調(diào)整元素的組分及制備工藝，以獲取符合當(dāng)下應(yīng)用環(huán)境的自潤滑耐磨薄膜。目前，開展高熵合金薄膜的摩擦學(xué)性能的研究多聚焦于由強(qiáng)硬化主導(dǎo)的耐磨損性能上，針對(duì)高熵合金復(fù)合結(jié)構(gòu)自潤滑薄膜的研究較少，與日后實(shí)際的工程應(yīng)用仍存在一定的距離。

4 結(jié)語

經(jīng)過10多年的探索與發(fā)展，研究人員已針對(duì)高熵合金薄膜的元素組分、制備工藝和界面結(jié)構(gòu)等影響其微觀結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行了深入研究，并取得了一系列豐碩的成果。由于對(duì)于高熵合金薄膜的理論研究和工藝標(biāo)準(zhǔn)等尚未明晰，距離工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用仍有一定的距離，因此，未來可針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

1）在理論計(jì)算上，充分利用第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)等模擬手段預(yù)測并開發(fā)新型高熵合金薄膜的結(jié)構(gòu)體系，闡明微觀結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)行為之間的內(nèi)在機(jī)理，并以此指導(dǎo)高性能耐磨高熵合金薄膜的制備。

2）通過合適的元素組合和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略制備高熵合金多層膜在力學(xué)和摩擦學(xué)性能方面表現(xiàn)突出。尤其是采用磁控濺射法在微結(jié)構(gòu)調(diào)控方面具有很高的靈活性，高熵合金多層膜在摩擦學(xué)性能上仍有較大的優(yōu)化空間。

3）目前，針對(duì)高熵合金自潤滑薄膜的研究不足，潤滑相的選取仍局限于軟金屬，可進(jìn)一步挖掘碳基材料、二維材料等在高熵合金基體中的潤滑優(yōu)勢。后續(xù)可以重點(diǎn)關(guān)注薄膜成分之間、薄膜與環(huán)境之間的協(xié)同作用，并以此嘗試制備多種自潤滑體系的高熵合金薄膜，以滿足不同極端環(huán)境下的服役要求。

4）目前，大部分科研工作主要針對(duì)高熵合金薄膜的室溫摩擦學(xué)性能，仍缺乏在高溫、極寒、輻照等復(fù)雜工況條件下的摩擦磨損測試，這對(duì)推進(jìn)高熵合金薄膜的應(yīng)用缺乏實(shí)際指導(dǎo)意義。由此可見，仍需進(jìn)一步開發(fā)滿足多種復(fù)雜耦合工況的耐磨高熵合金薄膜，以充分發(fā)揮其極端條件下的優(yōu)異的綜合性能。

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Review on Microstructure and Tribological Properties of High Entropy Alloys Film

,,,,

(State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

Friction and wear behaviors occurring to the machinery system during operation directly affect the working efficiency, operational reliability and service life of the system. Therefore, reducing the impact of friction and wear on operation of the mechanical system is necessary. The wear-resistant and self-lubricating films fabricated on the surface of key workpieces by special surface technologies show the significant effects in numerous anti-resistant methods. Compared with traditional films, high entropy alloy films show excellent potential in friction due to their unique microstructures and excellent mechanical properties. This paper reviewed the research progress of high entropy alloy films in recent years. Firstly, the basic concepts and common preparation methods of high entropy alloy films were presented. The principles, advantages, shortages and applicable fields of these preparation methods were discussed. Among them, magnetron sputtering has become the main preparation method for high entropy alloy film with excellent performance, which combines with smooth and dense surface, good ingredient uniformity, high strength of film-substrate bonding and controllable microstructure. Then, the effects of element composition, process parameters and interface structure on the microstructures and tribological properties of high entropy alloy film were discussed. The key factors for improving the tribological properties of high entropy alloy films were analyzed from the two aspects of wear resistance and self-lubrication. It's suggested that hard structure, smooth-dense surface and strong film-substrate bond were the keys to improving the wear resistance. The lubricating film induced by composite of self-lubricating phase and substrate or oxidative wear could significantly improve anti-friction performance. Finally, the problems and shortages in the current research process were summarized and the future development of high entropy films in friction field was prospected.

high entropy alloy film; magnetron sputtering; microstructure; tribological properties; self-lubrication

2022-01-28；

2022-05-23

HUANG Zhuo-bin (1999-), Male, Postgraduate, Research focus: tribological behaviors of high entropy alloy films.

周青（1988—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧狭W(xué)與摩擦磨損行為。

ZHOU Qing (1988-), Male, Doctor, Associate Professor, Research focus: mechanical and tribological behaviors of metal materials.

黃卓斌, 周青, 羅大微, 等.高熵合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)性能的研究綜述[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 30-42.

TH117

A

1001-3660(2022)09-0030-13

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2022–01–28；

2022–05–23

國家自然科學(xué)基金（52175188，51975474）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（3102019JC001）

Fund：National Natural Science Foundation of China (52175188, 51975474); Fundamental Research Funds for the Central Universities (3102019JC001)

黃卓斌（1999—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)楦哽睾辖鸨∧さ哪Σ聊p行為。

HUANG Zhuo-bin, ZHOU Qing, LUO Da-wei, et al. Review on Microstructure and Tribological Properties of High Entropy Alloys Film[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 30-42.

責(zé)任編輯：彭颋