CN114574827B - 一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents

一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用。所述含碳高熵合金薄膜主要由V、Al、Ti、Cr、Si、C元素组成，并具有非晶结构，且C元素在所述含碳高熵合金薄膜中弥散分布。本发明通过在高熵合金薄膜掺杂耐磨性组元C元素，使制得的含碳高熵合金薄膜具备优异的力学性能、低摩擦系数以及海洋环境下耐磨蚀的性能，进而在海洋机械装备摩擦副零部件表面防护领域中有很好地应用前景。

Description

一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于表面防护技术领域，具体涉及一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用。
背景技术
随着近十年来一类新型合金材料-高熵合金以其优异的综合性能引起了各领域研究者的广泛关注。高熵合金的高熵效应促进了元素之间的相互固溶，形成简单的体心立方或面心立方结构，甚至纳米晶析或非晶态。同时由于高熵合金的原子缓慢扩散效应、晶格畸变效应、鸡尾酒效应等使其可以通过合理的成分设计调控使其性能最优化。目前已有许多科研工作者设计出了多种不同组元的高熵合金涂层，然而对合金涂层的热处理以及非金属改性的研究相对较少，大多还处于块体高熵合金以及未改性的高熵合金涂层的研究中。尤其是很多非晶高熵合金薄膜，比如VAlTiCrSi、VAlTiMoSi等组合，已然被证明具有良好的耐腐蚀性，但是力学性能差，高温下容易快速失效，使得其应用环境较为单一，无法广泛的使用在苛刻的服役环境。C、N等原子的掺加虽然可以提升材料的综合性能，然而其各种元素的配比和工艺参数的调控仍然是个难题。
近年来，对传统海洋材料的涂层改性已经成为海水摩擦副零部件表面强化和耐腐蚀的重要手段，是控制海水环境关键摩擦副零部件腐蚀磨损，提高海洋工程装备稳定性和服役寿命最为可行的技术途径，综合性能优异的高熵合金薄膜的研究有其迫切性，具有相当的现实意义。此外，多种环境因素的耦合会使得材料面临更苛刻的环境，比如海水摩擦、海洋高温等等。因此开发一种制备工艺简单、性能良好的高熵合金薄膜是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种含碳高熵合金薄膜，所述含碳高熵合金薄膜主要由V、Al、Ti、Cr、Si、C元素组成，并具有非晶结构，且C元素在所述含碳高熵合金薄膜中弥散分布。
本发明实施例还提供了前述的含碳高熵合金薄膜的制备方法，其包括：
提供基体；
以及，采用磁控溅射技术，以VAlTiCrSi复合靶、石墨靶为靶材，在所述基体进行共沉积处理，从而形成含碳高熵合金薄膜。
本发明实施例还提供了前述的含碳高熵合金薄膜于海洋机械装备摩擦副零部件表面防护领域中的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备的含碳高熵合金薄膜通过掺杂C元素，使得含碳高熵合金薄膜具备优异地力学性能、低摩擦系数以及耐磨擦腐蚀的性能，使其在海洋机械装备摩擦副零部件表面防护领域中有很好地应用前景，同时该含碳高熵合金薄膜可用于高温环境中；
(2)本发明选用各元素条状靶材依次层叠、周期排列形成的复合靶，不仅制作成本低，而且能够获得成分均匀的VAlTiCrSiC薄膜，同时通过对立靶位的设计，有利于调控石墨掺杂的含量制得高性能的含碳高熵合金薄膜；同时本发明的制备方法简单，成本低廉，适于工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中VAlTiCrSi复合靶的截面结构示意图；
图2是本发明实施例1中VAlTiCrSi复合靶与石墨靶的相对位置；
图3是本发明实施例1中制得的VAlTiCrSiC高熵合金薄膜截面形貌的扫描电镜照片；
图4是本发明实施例1和对照例1中制得的高熵合金薄膜的XRD图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体的，作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的一种含碳高熵合金薄膜，所述含碳高熵合金薄膜主要由V、Al、Ti、Cr、Si、C元素组成，并具有非晶结构，且C元素在所述含碳高熵合金薄膜中弥散分布。
在一些优选实施方案中，所述含碳高熵合金薄膜包括按原子百分含量计算的如下元素：V 14～16％、Al 6～8％、Ti 6～8％、Cr 32～34％、Si 13～15％及C 23～25％。
在一些优选实施方案中，所述含碳高熵合金薄膜的硬度在13GPa以上，水下摩擦系数在0.5以下。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的含碳高熵合金薄膜的制备方法，其包括：
提供基体；
以及，采用磁控溅射技术，以VAlTiCrSi复合靶、石墨靶为靶材，在所述基体进行共沉积处理，从而形成含碳高熵合金薄膜。
在一些优选实施方案中，所述制备方法具体包括：采用磁控溅射技术，将以VAlTiCrSi复合靶、石墨靶为靶材，以惰性气体为工作气体，对基体施加偏压，从而在基体表面共沉积形成高熵合金薄膜，其中，VAlTiCrSi复合靶、石墨靶的靶功率均独立地为500W～3000W，腔体内压力在1.0～3.0×10-3Pa以下，基体偏压为-30V～-70V，基体温度为100℃～300℃，共沉积时间为7～10h。
在一些优选实施方案中，所述VAlTiCrSi复合靶由V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材构成，在所述VAlTiCrSi复合靶的垂直方向上将V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材依次层叠排列形成一个靶周期，所述VAlTiCrSi复合靶在垂直方向上包括1～15个靶周期，优选为12个周期；同时所述靶周期可以根据设备规模而定。
进一步地，在一个所述靶周期中，所述V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材的厚度均独立地为10～50mm。
进一步地，所述V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材的纯度在99.9％以上。
在一些优选实施方案中，所述VAlTiCrSi复合靶与石墨靶相对设置于基体的两侧。
在一些优选实施方案中，所述石墨靶的厚度为10～50mm。
在一些优选实施方案中，所述制备方法还包括：先对基体进行预处理，再将所获基体与VAlTiCrSi复合靶、石墨靶置于真空反应腔体内部，之后进行Ar离子轰击处理；其中所述基体设置于基体夹持器上，所述基体夹持器的转速为2～4rad/min。
在一些优选实施方案中，所述基体包括不锈钢片和/或单晶硅片，且不限于此。
进一步地，所述不锈钢片包括304钢、316钢、718钢中的任意一种，且不限于此。
在一些更为具体地实施方案中，所述含碳高熵合金薄膜的制备方法包括：
(1)按周期组装VAlTiCrSi复合靶并提供石墨靶，其中所述复合靶选用V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材构成。
作为优选，各靶材的纯度为99.9％及以上。
作为优选，所述周期靶中，自上至下依次为V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材。
作为优选，一个靶周期中，V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材的厚度皆为10mm～50mm。
作为优选，石墨靶的厚度为10mm～50mm。
作为优选，所述VAlTiCrSi复合靶包含1～15个所述靶周期。在垂直方向包括至少一个所述靶周期。
作为优选，所述VAlTiCrSi复合靶和石墨靶分别放在基底两侧。
(2)在进行磁控溅射之前，首先对基体进行机械磨抛处理，使用砂轮机将样片四周倒角磨平，去除切割加工产生的毛刺；随后分别用丙酮和酒精进行超声清洗，确保表面无杂质和污垢后，用流动的氮气吹干。
(3)将清洗好的基片安装在基片夹持器上，后连同夹持器一同放入磁控溅射设备真空腔体内部。设置衬底夹持器转速为2～4rad/min。
(4)使用Ar离子对VAlTiCrSi复合靶、石墨靶以及基体表面轰击15～20min，去除靶材表面的杂质及氧化物，并在溅射过程中使用氩气作为保护气氛。
作为优选，溅射沉积之前对沉积腔体抽真空至真空度低于1.0～3.0×10-3Pa。
(5)溅射时，含碳高熵合金薄膜被溅射到清洁的基体表面，溅射时间7～10小时并随炉冷却。
作为优选，溅射过程中，复合靶和石墨靶的溅射功率为500W～3000W、基体偏压为-30V～-70V、基体温度为100℃～300℃。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的含碳高熵合金薄膜于海洋机械装备摩擦副零部件表面防护领域中的用途。
本发明的有益效果在于：
(1)目前具有优异性能的高熵合金并未完全投入工业生产，比如选区激光熔化成型等方法，虽然先进，但其制作成本相对较高，尤其像本发明所选用的V、Ti都是高价金属。因此应该通过一定的技术手段将高熵合金的价值发挥到最大，表面涂层技术的引入恰好有效地解决了这一问题。尤其是针对制备特定的非晶薄膜，磁控溅射技术更容易使获得的薄膜结构为简单固溶体结构或非晶结构，不存在晶态金属所具有的晶界、层错、偏析等局部组织不均匀缺陷，最终制备的薄膜具有优良的耐腐蚀性能、力学性能等。
(2)在制备过程中多选用合金靶或者单个元素靶材的组合制作成本较高，对设备要求大，也难以获得成分均匀的高熵涂层。本发明将各元素条状靶材依次层叠、周期排列，不仅制作成本低，而且能够获得成分均匀的VAlTiCrSiC薄膜。尤其设计了对立靶位的方法，将复合靶和石墨整体靶分立，有利于基于性能需要来调控石墨掺杂的含量和实现对薄膜组成、晶粒组织等的调控。
(3)C的添加更加促进涂层的非晶化，与未掺碳的高熵合金薄膜相比，薄膜在XRD谱图40°附近的馒头峰变得更加平缓，因为C较小的原子尺寸在涂层微观结构中起着固溶强化作用，使得涂层的力学性能得到改善，有助于调节材料的强韧性，提高材料的抗裂纹扩展能力。
(4)碳化物涂层因其硬度高，耐腐蚀性好而有望广泛应用于海洋机械装备摩擦副零部件的表面强化。所以本发明的高熵合金薄膜选用已知的耐腐蚀性组元V、Al、Ti、Cr、Si，并且创新性的掺杂C元素，在涂层表面存在sp2杂化碳，避免了接触点之间强烈的表面粘合作用，并且石墨在磨损过程中能形成自润滑膜，可以降低摩擦系数。并且使得薄膜的力学性能有所提升，可以达到13GPa以上。因此VAlTiCrSiC是一种高硬度耐磨腐蚀的材料，可在高磨损、高腐蚀的恶劣环境中对基体进行良好保护，例如可用于海水环境下的基体防护等。
(5)本发明的高熵合金薄膜具可以应用与高温环境中，在高温环境中能够具有更优越的力学性能和维持原有摩擦学性能，经过高温后(例如700～800℃)后薄膜的硬度不低于20GPa。原因有两点，一是原子扩散更加充分，致密度得到进一步的提升；二是高温下高熵合金涂层可以由非晶态转化成晶态结构，涂层存在纳米级的碳化物相(Cr7C3及Cr3C2)，这些碳化物弥散分布在涂层中，可以作为增强相抵抗磨损，降低摩擦系数。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
本实施例中，基体材料为304钢、718钢和单晶硅片。
采用磁控溅射技术，在基体表面制备高熵合金薄膜，主要包括以下步骤：
(1)按周期组装VAlTiCrSi复合靶和石墨靶，其中所述复合靶选用V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材构成，各靶材的纯度为99.9％及以上。所述周期靶中，自上至下依次为V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材，各靶材的厚度皆为10mm，复合靶包含12个靶周期。石墨靶厚度也为10mm，复合靶和石墨靶分别放在基底两侧。具体靶位摆放见图1和图2所示。
(2)在进行磁控溅射之前，首先对基体进行机械磨抛处理，使用砂轮机将样片四周倒角磨平，去除切割加工产生的毛刺；随后分别用丙酮和酒精进行超声清洗，确保表面无杂质和污垢后，用流动的氮气吹干。
(3)将清洗好的基片安装在基片夹持器上，后连同夹持器一同放入磁控溅射设备真空腔体内部。设置衬底夹持器转速为3rad/min。
(4)使用Ar离子对复合靶、石墨靶以及基体表面轰击18min，去除靶材表面的杂质及氧化物，并在溅射过程中使用氩气作为保护气氛。溅射沉积之前对沉积腔体抽真空至真空度低于2.0×10-3Pa。
(5)溅射时，高熵合金薄膜被溅射到清洁的基体表面，溅射时间7小时并随炉冷却。溅射过程中，复合靶的溅射功率为2000W，石墨靶的溅射功率为500、1000、1500、2000和2500W、基体偏压为-50V、基体温度为200℃。制备的高熵合金薄膜分别记为VAlTiCrSiC500W、VAlTiCrSiC1000W、VAlTiCrSiC1500W、VAlTiCrSiC2000W、VAlTiCrSiC2500W。
将上述沉积处理后制得的基体表面的高熵合金薄膜进行如下测试：
(1)结构和成分测试：
采用X射线衍射仪(XRD，D8 ADVANCE DAVINCI，Bruker)分析制备薄膜的晶体相组成，仪器测试光源为Cu-Kα线(λ＝0.154nm)，测试角度范围为15°～85°，扫描速度为5°/min，步长为0.02°，电压为40kV，电流为150mA。
测试结果：图4是该系列高熵合金薄膜样品的XRD衍射图谱，显示只在45°附近有一个宽泛的馒头峰，表明该高熵合金薄膜为非晶态结构，尤其是石墨靶的溅射功率为2500W的薄膜，非晶化最高，其成分为V：15.07％，Al：7.12％，Ti：6.96％，Cr：33.22％，Si：13.71％，C：23.92％，取VAlTiCrSiC2500W做后续测试和表征。
(2)截面形貌测试：
热场发射扫描电子显微镜(FEI Quanta FEG 250，America)被用于表征薄膜的截面微观形貌。
测试结果：薄膜由细密的柱状结构组成，厚度约2.6微米，形貌图见图3。
(3)力学性能测试：
常温和700℃高温处理的样品采用MTS NanoIndenterG200纳米压痕仪系统测试上述制得的高熵合金薄膜的纳米硬度和弹性模量。
测试结果：常温样品的硬度和弹性模量分别可达13.58GPa、239.23GPa，高温处理后的硬度和弹性模量为23.62GPa、325.59GPa，表明本实施例制备的薄膜在高温环境下具有优异地力学性能。
(4)海洋磨蚀性能测试：
采用摩擦磨损RTEC对上述制得的VAlTiCrSiC高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数低至0.48。
(5)高温处理后磨蚀测试
高熵合金薄膜置于管式炉(贝意克，安徽)中进行700℃高温处理。升温速率为10℃/分钟，保温时间为1小时，样品保温结束后随炉冷却。对经高温处理的高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数为0.49，表明本实施例制备薄膜在高温环境下仍具有很好地耐磨蚀性能。
实施例2
本实施例中，基体材料为304钢和718钢片。
采用磁控溅射技术，在基体表面制备高熵合金薄膜，主要包括以下步骤：
(1)按周期组装VAlTiCrSi复合靶和石墨靶，其中所述复合靶选用V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材构成，各靶材的纯度为99.9％及以上。所述周期靶中，自上至下依次为V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材，各靶材的厚度皆为10mm，复合靶包含12个靶周期。石墨靶厚度也为10mm，复合靶和石墨靶分别放在基底两侧。具体靶位摆放见图1和图2所示。
(2)在进行磁控溅射之前，首先对基体进行机械磨抛处理，使用砂轮机将样片四周倒角磨平，去除切割加工产生的毛刺；随后分别用丙酮和酒精进行超声清洗，确保表面无杂质和污垢后，用流动的氮气吹干。
(3)将清洗好的基片安装在基片夹持器上，后连同夹持器一同放入磁控溅射设备真空腔体内部。设置衬底夹持器转速为2rad/min。
(4)使用Ar离子对复合靶、石墨靶以及基体表面轰击15min，去除靶材表面的杂质及氧化物，并在溅射过程中使用氩气作为保护气氛。溅射沉积之前对沉积腔体抽真空至真空度低于1.0×10-3Pa。
(5)溅射时，高熵合金薄膜被溅射到清洁的基体表面，溅射时间7小时并随炉冷却。溅射过程中，复合靶的溅射功率为1000W，石墨靶的溅射功率为2500W、基体偏压为-30V、基体温度为100℃。
将上述沉积处理后制得的基体表面的高熵合金薄膜进行如下测试：
(1)结构和成分测试：
采用X射线衍射仪(XRD，D8 ADVANCE DAVINCI，Bruker)分析制备薄膜的晶体相组成，仪器测试光源为Cu-Kα线(λ＝0.154nm)，测试角度范围为15°～85°，扫描速度为5°/min，步长为0.02°，电压为40kV，电流为150mA。
测试结果：高熵合金薄膜样品的XRD衍射图谱，显示只在43°附近有一个宽泛的馒头峰，表明该高熵合金薄膜为非晶态结构，其成分为V：15.10％，Al：6.16％，Ti：7.32％，Cr：33.40％，Si：15.00％，C：23.02％。
(2)截面形貌测试：
热场发射扫描电子显微镜(FEI Quanta FEG 250，America)被用于表征薄膜的截面微观形貌。
测试结果：薄膜由细密的柱状结构组成，厚度约2.0微米，形貌图与图3相似。
(3)力学性能测试：
常温和700℃高温的样品采用MTS NanoIndenterG200纳米压痕仪系统测试上述制得的高熵合金薄膜的纳米硬度和弹性模量。
测试结果：常温样品的硬度和弹性模量分别可达12.99GPa、231.13GPa，高温后的硬度和弹性模量为22.66GPa、324.01GPa，表明本实施例制备的薄膜在高温环境下具有优异地力学性能。
(4)海洋磨蚀性能测试：
采用摩擦磨损RTEC对上述制得的VAlTiCrSiC高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数低至0.49。
(5)高温处理后磨蚀测试
高熵合金薄膜置于管式炉(贝意克，安徽)中进行700℃高温处理。升温速率为10℃/分钟，保温时间为1小时，样品保温结束后随炉冷却。对经高温处理的高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数为0.50，表明本实施例制备薄膜在高温环境下仍具有很好地耐磨蚀性能。
实施例3
本实施例中，基体材料为304钢、718钢片和TC4钢片。
采用磁控溅射技术，在基体表面制备高熵合金薄膜，主要包括以下步骤：
(1)按周期组装VAlTiCrSi复合靶和石墨靶，其中所述复合靶选用V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材构成，各靶材的纯度为99.9％及以上。所述周期靶中，自上至下依次为V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材，各靶材的厚度皆为10mm，复合靶包含12个靶周期。石墨靶厚度也为10mm，复合靶和石墨靶分别放在基底两侧。具体靶位摆放见图1和图2所示。
(2)在进行磁控溅射之前，首先对基体进行机械磨抛处理，使用砂轮机将样片四周倒角磨平，去除切割加工产生的毛刺；随后分别用丙酮和酒精进行超声清洗，确保表面无杂质和污垢后，用流动的氮气吹干。
(3)将清洗好的基片安装在基片夹持器上，后连同夹持器一同放入磁控溅射设备真空腔体内部。设置衬底夹持器转速为4rad/min。
(4)使用Ar离子对复合靶、石墨靶以及基体表面轰击20min，去除靶材表面的杂质及氧化物，并在溅射过程中使用氩气作为保护气氛。溅射沉积之前对沉积腔体抽真空至真空度低于3.0×10-3Pa。
(5)溅射时，高熵合金薄膜被溅射到清洁的基体表面，溅射时间7小时并随炉冷却。溅射过程中，复合靶的溅射功率为3000W，石墨靶的溅射功率为2500W、基体偏压为-70V、基体温度为300℃。
将上述沉积处理后制得的基体表面的高熵合金薄膜进行如下测试：
(1)结构和成分测试：
采用X射线衍射仪(XRD，D8 ADVANCE DAVINCI，Bruker)分析制备薄膜的晶体相组成，仪器测试光源为Cu-Kα线(λ＝0.154nm)，测试角度范围为15°～85°，扫描速度为5°/min，步长为0.02°，电压为40kV，电流为150mA。
测试结果：高熵合金薄膜样品的XRD衍射图谱，显示只在45°附近有一个宽泛的馒头峰，与图4相似，表明该高熵合金薄膜为非晶态结构，其成分为V：15.25％，Al：6.01％，Ti：6.69％，Cr：33.73％，Si：14.72％，C：23.60％。
(2)截面形貌测试：
热场发射扫描电子显微镜(FEI Quanta FEG 250，America)被用于表征薄膜的截面微观形貌。
测试结果：薄膜由细密的柱状结构组成，厚度约5.0微米，形貌图与图3类似。
(3)力学性能测试：
常温和700℃高温的样品采用MTS NanoIndenterG200纳米压痕仪系统测试上述制得的高熵合金薄膜的纳米硬度和弹性模量。
测试结果：常温样品的硬度和弹性模量分别可达14.77GPa、242.84GPa，高温后的硬度和弹性模量为21.73GPa、305.96GPa，说明高温后相变产生的超硬碳化物能够进一步提升薄膜的力学性能，使得薄膜适合在高温环境中应用。
(4)海洋磨蚀性能测试：
采用摩擦磨损RTEC对上述制得的VAlTiCrSiC高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数低至0.45。
(5)高温处理后磨蚀测试
高熵合金薄膜置于管式炉(贝意克，安徽)中进行700℃高温处理。升温速率为10℃/分钟，保温时间为1小时，样品保温结束后随炉冷却。对经高温处理的高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数与未高温薄膜差别不大，为0.46，表明本实施例制备薄膜在高温环境下仍具有很好地耐磨蚀性能。
对照例1
本对照例中，基体材料为304钢、718钢和单晶硅片。
采用磁控溅射技术，在基体表面制备VAlTiCrSi高熵合金薄膜，主要包括以下步骤：
(1)按周期组装VAlTiCrSi复合靶，复合靶位正对面的石墨靶位关闭，其中所述复合靶选用V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材构成，各靶材的纯度为99.9％及以上。所述周期靶中，自上至下依次为V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材，各靶材的厚度皆为10mm，复合靶包含12个靶周期。
(2)在进行磁控溅射之前，首先对基体进行机械磨抛处理，使用砂轮机将样片四周倒角磨平，去除切割加工产生的毛刺；随后分别用丙酮和酒精进行超声清洗，确保表面无杂质和污垢后，用流动的氮气吹干。
(3)将清洗好的基片安装在基片夹持器上，后连同夹持器一同放入磁控溅射设备真空腔体内部。设置衬底夹持器转速为2rad/min。
(4)使用Ar离子对复合靶、石墨靶以及基体表面轰击20min，去除靶材表面的杂质及氧化物，并在溅射过程中使用氩气作为保护气氛。溅射沉积之前对沉积腔体抽真空至真空度低于1.0×10-3Pa。
(5)溅射时，VAlTiCrSi高熵合金薄膜被溅射到清洁的基体表面，溅射时间7小时并随炉冷却。溅射过程中，复合靶的溅射功率为2000W，石墨靶的溅射功率为0W、基体偏压为-50V、基体温度为100℃。
将上述沉积处理后制得的基体表面的VAlTiCrSi高熵合金薄膜进行如下测试：
(1)截面形貌测试：
热场发射扫描电子显微镜(FEI Quanta FEG 250，America)被用于表征薄膜的截面微观形貌。
测试结果：薄膜由细密的柱状结构组成，厚度约3.0微米。
(2)结构和成分测试：
采用X射线衍射仪(XRD，D8 ADVANCE DAVINCI，Bruker)分析制备薄膜的晶体相组成，仪器测试光源为Cu-Kα线(λ＝0.154nm)，测试角度范围为15°～85°，扫描速度为5°/min，步长为0.02°，电压为40kV，电流为150mA。
测试结果：所制备的VAlTiCrSi高熵合金薄膜样品的XRD衍射图谱显示只在43°附近有一个宽泛的馒头峰，表明该薄膜为非晶态结构，但是其非晶化比较高熵合金薄膜来说更差。(见图4)VAlTiCrSi高熵合金薄膜成分为V：14.15％，Al：13.01％，Ti：12.41％，Cr：29.73％，Si：30.70％。
(3)力学性能测试：
常温的样品采用MTS NanoIndenterG200纳米压痕仪系统测试上述制得的VAlTiCrSi高熵合金薄膜的纳米硬度和弹性模量。
测试结果：硬度和弹性模量分别为10.25GPa、211.56GPa，远低于实施例1制备的薄膜。
(4)海洋磨蚀性能测试：
采用摩擦磨损RTEC对上述制得的VAlTiCrSi高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数高达0.80。
(5)高温处理后磨蚀测试
高熵合金薄膜置于管式炉(贝意克，安徽)中进行700℃高温处理。升温速率为10℃/分钟，保温时间为1小时，样品保温结束后随炉冷却。对经高温处理的高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数高达0.85，说明对比例1中的VAlTiCrSi高熵合金薄膜的耐磨蚀性能严重下降。
对照例2
本对照例中，基体材料为304钢和718钢片，通过调控溅射功率来调整各元素含量。
采用磁控溅射技术，在基体表面制备高熵合金薄膜，主要包括以下步骤：
(1)按周期组装VAlTiCrSi复合靶和石墨靶，其中所述复合靶选用V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材构成，各靶材的纯度为99.9％及以上。所述周期靶中，自上至下依次为V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材，各靶材的厚度皆为10mm，复合靶包含12个靶周期。石墨靶厚度也为10mm，复合靶和石墨靶分别放在基底两侧。具体靶位摆放见图1和图2所示。
(2)在进行磁控溅射之前，首先对基体进行机械磨抛处理，使用砂轮机将样片四周倒角磨平，去除切割加工产生的毛刺；随后分别用丙酮和酒精进行超声清洗，确保表面无杂质和污垢后，用流动的氮气吹干。
(3)将清洗好的基片安装在基片夹持器上，后连同夹持器一同放入磁控溅射设备真空腔体内部。设置衬底夹持器转速为2rad/min。
(4)使用Ar离子对复合靶、石墨靶以及基体表面轰击20min，去除靶材表面的杂质及氧化物，并在溅射过程中使用氩气作为保护气氛。溅射沉积之前对沉积腔体抽真空至真空度低于1.0×10-3Pa。
(5)溅射时，高熵合金薄膜被溅射到清洁的基体表面，溅射时间7小时并随炉冷却。溅射过程中，复合靶的溅射功率为2000W，石墨靶的溅射功率为1000W、基体偏压为-50V、基体温度为100℃。
将上述沉积处理后制得的基体表面的高熵合金薄膜进行如下测试：
(1)结构和成分测试：
采用X射线衍射仪(XRD，D8 ADVANCE DAVINCI，Bruker)分析制备薄膜的晶体相组成，仪器测试光源为Cu-Kα线(λ＝0.154nm)，测试角度范围为15°～85°，扫描速度为5°/min，步长为0.02°，电压为40kV，电流为150mA。
测试结果：高熵合金薄膜样品的XRD衍射图谱，显示只在45°附近有一个宽泛的馒头峰，与图4相似，表明该高熵合金薄膜为非晶态结构，其成分为V：16.55％，Al：6.47％，Ti：7.27％，Cr：36.49％，Si：22.83％，C：10.39％，碳含量明显减少。
(2)截面形貌测试：
热场发射扫描电子显微镜(FEI Quanta FEG 250，America)被用于表征薄膜的截面微观形貌。
测试结果：薄膜由柱状结构组成，厚度约3.0微米。
(3)力学性能测试：
常温的样品采用MTS NanoIndenterG200纳米压痕仪系统测试上述制得的高熵合金薄膜的纳米硬度和弹性模量。
测试结果：常温样品的硬度和弹性模量分别为11.36GPa、218.14GPa，远低于实施例1制备的薄膜。
(4)海洋磨蚀性能测试：
采用摩擦磨损RTEC对上述制得的VAlTiCrSiC高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数高达0.57。
(5)高温处理后磨蚀测试
高熵合金薄膜置于管式炉(贝意克，安徽)中进行700℃高温处理。升温速率为10℃/分钟，保温时间为1小时，样品保温结束后随炉冷却。对经高温处理的高熵合金薄膜进行摩擦学实验，具体实验条件为：采用往复式滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的Al2O3球，往复距离为5mm，往复的频率2Hz，载荷为1N。用3.5wt％NaCl溶液来模拟海水。
测试结果：摩擦系数高达0.63，说明对比例1中的VAlTiCrSi高熵合金薄膜的耐磨蚀性能严重下降。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种含碳高熵合金薄膜，其特征在于，所述含碳高熵合金薄膜包括按原子百分含量计算的如下元素：V 14~16%、Al 6~8%、Ti 6~8%、Cr 32~34%、Si 13~15%及C 23~25%，所述含碳高熵合金薄膜具有非晶结构，且C元素在所述含碳高熵合金薄膜中弥散分布。
2.根据权利要求1所述的含碳高熵合金薄膜，其特征在于，所述含碳高熵合金薄膜的硬度在13GPa以上，水下摩擦系数在0.5以下。
3.权利要求1或2所述的含碳高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于包括：
提供基体；
以及，采用磁控溅射技术，以VAlTiCrSi复合靶、石墨靶为靶材，在所述基体进行共沉积处理，从而形成含碳高熵合金薄膜。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于具体包括：采用磁控溅射技术，将以VAlTiCrSi复合靶、石墨靶为靶材，以惰性气体为工作气体，对基体施加偏压，从而在基体表面共沉积形成高熵合金薄膜，其中，VAlTiCrSi复合靶、石墨靶的靶功率均独立地为500W~3000W，腔体内压力在1.0~3.0×10-3Pa以下，基体偏压为-30V~-70V，基体温度为100℃~300℃，共沉积时间为7~10h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述VAlTiCrSi复合靶由V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材构成，在所述VAlTiCrSi复合靶的垂直方向上将V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材依次层叠排列形成一个靶周期，所述VAlTiCrSi复合靶在垂直方向上包括1~15个靶周期。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：在一个所述靶周期中，所述V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Si靶材的厚度均独立地为10~50mm。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述VAlTiCrSi复合靶与石墨靶相对设置于基体的两侧。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述石墨靶的厚度为10mm~50mm。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于还包括：先对基体进行预处理，再将所获基体与VAlTiCrSi复合靶、石墨靶置于真空反应腔体内部，之后进行Ar离子轰击处理；其中所述基体设置于基体夹持器上，所述基体夹持器的转速为2~4rad/min。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述基体选自不锈钢片和/或单晶硅片。
11.权利要求1或2所述的含碳高熵合金薄膜于海洋机械装备摩擦副零部件表面防护中的用途。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103255414A (zh) * 2013-05-08 2013-08-21 北京工业大学 一种NbC增强的高熵合金涂层及其制备方法
CN109913771A (zh) * 2019-04-02 2019-06-21 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种VAlTiCrSi高熵合金薄膜及其在海水环境下的应用
CN110241354A (zh) * 2019-07-18 2019-09-17 南昌大学 一种含碳高熵合金涂层及其制备方法
CN111074223A (zh) * 2020-01-06 2020-04-28 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 成分均匀可控的高熵合金薄膜的物理气相沉积制备方法
CN111485209A (zh) * 2020-04-09 2020-08-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 高熵合金/wc硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用

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