未来切削加工的方向是不用或尽量少用切削液。随着耐高温刀具材料和涂层技术的发展，干加工在机械制造领域变为可能。

环境保护和性能提升的需求令很多学者正在探索新的刀具，提高车刀的硬度、耐磨性和耐蚀性，以达到改善工件表面质量的目的。

叶均蔚教授提出了高熵合金的定义，即以多种元素组成的合金，但不局限于金属元素，其中主要元素有5 ~ 13种，各元素的原子分数为5%~ 35%，没有明显的主要元素。

高熵合金的微结构与机械特性就是一般传统合金所没有的多主元素效应，可归纳出4种核心效应：高熵效应，缓慢的原子扩散效应，严重的晶格扭曲现象，以及鸡尾酒效应。

这4种效应使得高熵合金的硬度、抗腐蚀性、抗氧化性、抗磨耗性等性能都得到了很大的改善。

在后来的发展中，很多学者对不同成本的元素进行拓展研究，文献针对含碳氢高熵合金退火的研究结果显示，1 000 °C下真空退火2 h的条件仍保持原有的FCC固溶相，硬度最大可保持在34.0 GPa上下。

由高熵合金与氮化合金结合而成的高熵氮化合金将是崭新且充满可能性的新领域，刀具、模具等工件表面披覆高熵合金薄膜能够有效增强其机械强度及耐高温软化、耐高温氧化、耐磨、耐腐蚀等性能。

与传统合金镀膜相比，高熵合金应用层面非常多元，有着无数的惊喜等待发现。

高功率脉冲磁控溅镀法(HIPIMS)自Kouznetsov等人提出以来，引起了各国学者的广泛研究，设计了典型的HIPIMS系统。

它具有极高的靶材离化率及高电浆密度，主要是调整占空比与通、断时间，将电荷累积在电容中瞬间释放，由此得到脉冲波形。这样就可以弹性控制特定镀膜条件所需的高密度电浆特性。

2002年Ehiasarian等人利用高于1 kW的金属电浆轰击试片(偏压−1 200 V)，获得了极佳的薄膜附着性。

如果瞬时电流密度高于0.5 A/cm2，那么可以大幅提高薄膜的致密性及微结构强度，且不易产生孔洞。

随着HIPIMS技术不断地发展和应用，电浆的沉积技术会得到越来越广泛的应用，但需对溅镀过程的参数进行持续研究。

本文重点研究HIPIMS溅镀过程中不同的溅镀功率对高熵合金氮化物(AlCrNbSiTiV)N的微观结构和性能试验研究，将镀膜的车刀和非镀膜的车刀进行切削对比，分析其微观结构的变化情况和切削工件表面质量。

1 实验

1. 1 靶材制作

由赖思维的研究成果得知(AlCrSiTiV)N薄膜具有30 GPa以上的硬度，而TiN中加入Nb元素所形成的(TiNb)N固溶相能有效提升硬度，因此黄炳刚推测添加Nb理应能有效提升薄膜硬度，使薄膜具有优越的机械性质，故选择Al、Cr、Nb、Si、Ti、V等容易与N2反应形成氮化物的元素作为靶材的合金成分设计，为等物质的量AlCrNbSiTiV。

本实验用的AlCrNbSiTiV高熵靶材采用真空电弧熔炼法炼制而成，将Al、Cr、Nb、Si、Ti和V成分元素(纯度大于99.9%)置于水冷模具中，将腔体的真空抽至13.3 Pa，通入纯Ar约26.7 kPa，步骤反复5次。

然后将模具中的金属熔炼成液态，等待金属冷却后翻面置于模具中，反复多次熔炼AlCrNbSiTiV高熵靶材令其更加均匀。

然后用能谱仪(EDS)分析得到如图1所示的AlCrNbSiTiV靶材各元素的成分谱图，各元素的原子分数如下：Cr 16.61%，Al 17.23%，Si 16.81%，Nb 15.86%，Ti 17.37%，V 16.12%。可见AlCrNbSiTiV靶材各元素组成均在5% ~ 35%之间，与高熵合金的定义一致。

1. 2 溅镀(AlCrNbSiTiV)N薄膜

采用氩气(Ar)为惰性气体，氮气(N2)为反应气体，其纯度均大于99.995%。

选择苏打玻璃作为基板，使用0Cr18Ni8不锈钢片考察其黏附状态，以TNMG160404R­-UM T1200A舍弃式瓷金刀具进行切削试验。

使用反应式磁控溅镀设备实现(AlCrNbSiTiV)N薄膜的溅镀。溅镀前用机械回转泵和冷冻泵将腔体的真空度抽至约0.67mPa。

电源控制器采用RF-GENERATOR PFG 300 RF，它可以精准地控制溅镀功率，降低溅镀功率的控制误差。

实验参数如下：氮氩比15%，工作压力0.47 Pa，靶材到基材的距离85 mm，转盘速率50 r/min，基材偏压−50 V，基材温度250 °C，沉积时间30 min，溅镀功率120、150、180、210或240 W。

1. 3 薄膜微观结构和性能试验

用Rigaku公司的2000型X射线衍射仪(XRD)对基板上的薄膜进行相结构分析。用α-step微细形状测定仪(KOSAKA ET-4000A)的探针测量薄膜的厚度。

先去除基材表面的耐热胶带，形成薄膜镀层与基材表面段差，经探针扫描得薄膜厚度。

用JEOL公司的M-7100F型热场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察薄膜的表面及截面形貌，并使用其能谱仪(EDS)进行元素测定。

用Fischer公司的HM-2000型纳米压痕仪获得镀层薄膜的硬度及负载−位移曲线。

再通过C球对盘干式磨耗仪检测薄膜的磨耗：Al2O3磨球的粗糙度为0.08 μm，球径6.0 mm，硬度788 HV；切线速率100 mm/s，运动轨迹10 mm，磨耗距离100 m。

1. 4 车削分析试验

用镀膜的车刀和未镀膜的车刀分别切削铬钼钢材料DIN-50CrMo4(直径40 mm)，试验参数如下：切削速率220 m/min，进给率0.2 mm/rev，切削深度2 mm，切削长度300 mm。

刀具损坏失效的类型很多，如刀腹磨损、刀口积屑、热塑性变形、刀刃崩沟、高温裂纹、崩刃等。

本文通过刀腹磨损情况来评估耐磨性，用Mitutoyo 公司的 SUFTEST-402 型表面粗度量测仪对工件切削后的粗糙度进行测量。

2 结果与讨论

2. 1 未镀膜刀具的磨耗和工件的表面粗糙度

首先对未镀膜的TNMG160404R-UM T1200A刀具切削铬钼钢材料的结果进行分析，用扫描电镜观察到刀腹部位的磨耗为28.7 μm，测得工件的表面粗糙度为1.717 μm 。

2. 2 溅镀功率对(AlCrNbSiTiV)N薄膜性质的影响

2. 2. 1 厚度及沉积速率

由表1可知，溅镀功率增大时，(AlCrNbSiTiV)N薄膜的厚度和沉积速率均呈稳定上升的趋势。

溅镀功率越大，脉冲电流就越大，原子间的致密性越好，沉积速率也越高。实验结果与文献所描述的原理相吻合。

2. 2. 2 微观结构

如图2所示，在较低的溅镀功率下，原子流的密度较小，沉积较慢，形成的薄膜较薄，表面颗粒比较细密。

随着溅镀功率提高，沉积速率加快，薄膜越来越厚，且容易形成较大的原子团，表面颗粒也比较粗大。这是240 W功率时表面颗粒最大的原因，与文献中描述的现象相似。

溅射功率为210 W时所得典型(AlCrNbSiTiV)N薄膜的XRD分析结果见图3和表2。

从中可知，该薄膜是由单一面心立方(FCC)或多个体心立方(BCC)构成的固溶体结构，各氮化物之间相互固溶。

另外，AlCrNbSiTiV高熵合金中元素种类较多，且各元素的原子都是溶质原子，原子的尺寸差别大，晶格严重畸变，使晶格坍塌而形成非晶相。

2. 2. 3 硬度

根据Oliver提出的模型，薄膜的弹性恢复率Re按式(1)计算。

式中h ** x表示最大压痕深度，反映薄膜抗破坏变形的硬度；hr表示残余压痕深度，是去除压头后残留在薄膜表面的压痕深度。

用纳米压痕仪对不同溅镀功率产生的(AlCrNbSiTiV)N薄膜进行试验，以相同的10 mN压力将针头压在各块薄膜的表面，对硬度(H)、弹性模量(E)、h ** x、hr等参数进行记录，结果如图4和表3所示。

可见溅镀功率越大，薄膜的硬度越大。另外，H3/E2值也逐渐上升，最小值为0. ** 9 215，充分表明(AlCrNbSiTiV)N薄膜具有很好的抵抗塑性变形的能力。

从压力−位移曲线可以看出，不同溅镀功率下所制薄膜的Re都比较接近，至少有74.43%，表明它们均有非常良好的弹性恢复性能。

2. 2. 4 磨耗试验

如图5所示，溅镀功率为120、150、180、210和240 W时，薄膜的摩擦因数分别约为0.68、0.62、0.66、0.62和0.61。

很多因素会影响摩擦因数，比如硬度、表面粗糙度、负载，等等。根据前面薄膜硬度的结果，随着功率上升，硬度不断上升，摩擦因数会相应地减小。

但功率上升会导致薄膜的粒径变大，表面粗糙度随之增大，摩擦因数有上升的趋势。在多种因素的作用下，摩擦因数没有随着功率的上升而有明显的变化。

2. 2. 5 刀腹磨耗与工件表面粗糙度

在与未镀膜刀具的切削参数一致的情况下，将不同溅镀功率下镀膜的车刀用于车削元素成分较多的铬钼钢，此过程对刀具的硬度和耐磨性能要求较高，结果见图6。

结合前面的分析可知，溅镀功率越高，薄膜越致密，硬度越大，耐磨性就越好。

溅镀功率为240 W时所得薄膜性能最好，切削后工件表面的粗糙度与未镀刀具相比有了明显的改善，刀腹磨耗也远低于未镀刀具(前者仅为后者的37.6%)，刀具的寿命将得到大幅提升。

3 结论

将纯度大于99.9%的Cr、Al、Si、Nb、Ti和V制作成AlCrNbSiTiV高熵合金靶材，再利用高功率脉冲磁控溅射的方式在车刀和基材上溅镀了(AlCrNbSiTiV)N高熵合金氮化物薄膜。

随着溅镀功率的提升，脉冲电流增大，原子间的致密性提高，薄膜沉积加快，相同溅射时间内薄膜的厚度越大，且容易形成较大的原子团，表面颗粒比较粗大。

AlCrNbSiTiV高熵合金的各元素原子都是溶质原子，与氮气生成相互固溶的氮化物，原子的尺寸差别大令晶格畸变而形成非晶相。

溅镀功率在240 W时制得的薄膜硬度为39.32 GPa，弹性恢复率达81.06%。用其车削工件后，工件的表面粗糙度Ra达到1.367 μm，刀腹磨耗仅为10.8 μm。