现代工业系统不断使材料暴露在极端的服务环境中,如高温[1]、[2]、[3]、高压[4]、高辐射[5]和海洋大气[6]、[7],以及严重的机械磨损。结合航空航天[5]、[8]和海洋工程[6]、[7]等领域的日益苛刻的操作条件,这些恶劣环境迫切需要坚固可靠的表面保护技术。同时,表面工程技术的快速发展凸显了控制原子尺度界面以实现多功能和耐用涂层的重要性。
在各种涂层制备技术中,磁控溅射(MS)[9]、激光熔覆[10]、脉冲激光沉积(PLD)[11]和电化学沉积[12]、[13]被广泛用于制备功能性和保护性涂层。激光熔覆能够形成厚且冶金结合的涂层,但常受到热应力、氧化和稀释的影响。电化学沉积成本低廉且适用于复杂几何形状;然而,其涂层密度和热稳定性通常较低。此外,磁控溅射因其能够精确控制沉积能量、成分和微观结构演变[14]、[15]而成为领先方法。通过调整关键参数(如基底偏压[16]、[17]、[18]、阴极功率和反应气体流量[19],磁控溅射可以设计出具有定制晶体取向、界面结合和缺陷结构的涂层,这些是决定机械和摩擦性能的关键因素[20]、[21]。
最近的研究还展示了磁控溅射的HECs在极端环境(如高温氧化(>600 °C)和腐蚀介质)中的优异性能。例如,崔等人[22]报道了TiVCrNiSi HECs在循环盐雾和氧化条件下的优异稳定性。Irimiciuc等人[23]通过原位诊断分析了难熔HECs的等离子体驱动生长。张等人[24]设计了用于核燃料包壳应用的AlCrMoNbZr涂层,进一步展示了磁控溅射在恶劣环境中的广泛应用。
高熵涂层(HECs)源于高熵合金(HEAs)的概念,受益于多组分固溶效应,如晶格畸变[25]、[26]、缓慢扩散[27]和熵稳定相[28]、[29],这些效应共同赋予了HECs优异的硬度、热稳定性和耐磨性及抗腐蚀性。这种“协同效应”使高熵材料(HEMs)能够超越传统设计限制,开启新的材料发现领域[30]。与块体HEAs相比,磁控溅射制备的涂层所需材料较少,从而降低了制造成本,同时保持了优异的机械和化学稳定性[31]。
然而,尽管具有这些优势,对磁控溅射HECs的工艺、结构和界面之间关系的全面理解仍不完整[32]、[33]、[34]。现有研究往往关注单个参数(如偏压[16]、[17]或氮气流量[19]的影响,而忽视了工艺变量和界面现象之间的协同作用,这些因素最终决定了涂层的性能。
因此,本综述旨在对控制磁控溅射HECs界面演变和摩擦行为的工艺控制机制进行系统和批判性分析。讨论围绕五个主要工艺参数展开,重点探讨它们在调节原子传输、微观结构形成和界面能量状态中的作用。此外,本综述整合了数据驱动建模和机器学习辅助工艺优化的最新进展,为下一代HECs的智能和预测性设计提供了方向。通过这一全面的概述,我们努力弥合沉积工艺控制与涂层性能之间的差距。本综述进一步提出了针对极端环境下高性能摩擦涂层的基于数据和自适应的设计策略,作为未来的研究方向。