用于增强韧性的三重超结构超晶格 HfN/HfAlN 薄膜

在保护涂层中同时实现高硬度与高韧性仍是一项根本性挑战。在此，我们利用超晶格架构结合 Koehler 硬化，同时相干界面降低了裂纹驱动力并提高了韧性，使涂层兼具硬度与耐损伤性。我们设计并制备了外延 HfN$_{1.33}$/Hf$_{0.76}$Al$_{0.24}$N$_{1.15}$ 超晶格，该结构采用低能、高通量离子辅助反应磁控溅射沉积于 MgO(001) 衬底上。这些双层周期在 6 至 20 nm 之间的超晶格表现出独特的三重超结构，已由 X 射线衍射与倒易空间映射 (RSM) 证实。各组分形成独特的三维棋盘超结构，其中 HfN 的周期为 7.5 {\AA}，HfAlN 的周期为 12.5 A。RSM 进一步揭示了低镶嵌度、高晶体质量以及面内压应变，表明界面间保持了良好的相干性。力学测试表明，超晶格维持了 HfAlN 的高硬度（~36 GPa）且与双层周期无关，同时超过了较软的 HfN（~27 GPa），这与界面驱动的 Koehler 强化一致。微柱压缩实验显示在 {110}<110> 系统上发生脆性断裂，但与单层薄膜相比，其裂纹呈分布式且力学恢复更快，表明韧性得到改善。立方角压痕进一步证实了这一行为，表现为堆积现象与断裂事件受抑制。这些结果表明，外延 HfN/HfAlN 超晶格通过其三重超结构架构独特地结合了高硬度与改善的韧性。利用 HfN 基材料固有的高温稳定性，该设计为能够在极端条件下保持性能的下一代保护涂层提供了一条稳健的途径。