CN114703458A - CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜在制备重载工况下材料中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜在制备重载工况下材料中的应用。所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜可利用高熵相在重载作用下，内部结构从原始的FCC结构，向BCC和HCP结构逐级转变，通过结构形变诱导相变，缓释重载应力，可解决非晶碳薄膜在重载工况下强度低、韧性差的问题。本发明通过高熵相的均匀掺杂，能有效提高非晶碳薄膜的承载能力，使其在高、低温重载工况下仍有较高的抗断裂韧性、较低的摩擦系数与耐磨性。本发明可为重载工况下的高性能自润滑材料与相对运动构件承重区域隔离涂层的设计提供基础理论与方法，并拓展非晶碳薄膜在苛刻重载工况下的应用。

Description

CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜在制备重载工况下材料中 的应用

技术领域

本发明涉及CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜在制备重载工况下材料中的应用，尤其是CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜在制备高温或低温重载工况下使用的自润滑材料及承重区域隔离涂层材料中的应用。

背景技术

在重载工况下，尤其在高低温的极端条件下，无论是机械运动副还是相对运动构件承重区域材料的服役都受到严苛的考验。因此，固体自润滑材料以及相对运动构件承重区域隔离涂层的开发显得尤为必要。非晶碳薄膜作为一种优秀的自润滑涂层材料，已经在工程领域广泛应用，但其在高低温重载极端工况下的开发和应用仍有待发展。

非晶碳薄膜与金属晶体材料残余应力通过弛豫进行释放的方式不同，非晶碳薄膜中不存在长程有序的晶体结构，即无法通过位错的形成与滑移缓解残余应力，进而导致非晶碳薄膜的抗断裂韧度往往较低。低断裂韧度会导致非晶碳薄膜在重载作用下产生局部开裂并进一步导致承载失效，大大影响实际工程中的服役情况。因此，提高非晶碳薄膜的高可靠使役性能，获得具有高承载性能、长寿命、高断裂韧度的非晶碳薄膜具有重要意义。如何实现薄膜承载性能与其他机械性能的协同增效一直是业内研究的热点和难题。

异质元素掺杂是调控非晶碳薄膜综合性能的有效手段。不同种类的掺杂元素掺杂对非晶碳薄膜的性能的影响有很大差异。相对于单组元掺杂来说，多组元掺杂非晶碳薄膜对于改善薄膜性能更具有多元性和协同性的优势。然而，在缓释薄膜残余应力多组元掺杂非晶碳薄膜以双组元为掺杂剂居多，三、四及以上组元的掺杂研究较少。多组元掺杂非晶碳薄膜相比传统组元掺杂例如单独掺杂Ti、Cr、Si等元素来说工艺上以及机理上更为复杂，如何选取多种类掺杂组元以提高承载能力并协同增效其他机械性能成为关键且复杂的问题。特别是针对于高低温重载工况等极端工况下的多组元掺杂非晶碳薄膜的开发仍是相对空白。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于针对传统掺杂非晶碳薄膜材料断裂韧度低，在重载工况下易开裂和剥落的问题，提供一种可在高低温重载工况下应用的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜及其制备方法，产品可作为重载工况下自润滑材料或承重区域隔离涂层。通过CoCrFeNi高熵掺杂相在重载作用下，内部结构从原始的面心立方结构(FCC)结构，向体心立方结构(BCC)和密排六方结构(HCP)结构逐级转变，通过结构形变诱导相变，缓释重载应力，解决非晶碳薄膜在重载工况下断裂韧度低、易开裂剥落的问题，实现非晶碳薄膜断裂韧度的有效提高和残余应力的缓解，并起到力学性能协同提高增效的作用。其次，CoCrFeNi系高熵合金具有较低的堆垛层错能范围，在持续的应力作用下，亦可对薄膜的相变起到有效推动作用。另外，高熵合金作为一种固溶体，其排列方式像液态时那样随机、无序，因其自身缓慢扩散的特性，凝固态高熵合金的内部原子难以重新排列，内部结构及其性能受温度影响较小。因此，当环境温度有较大波动时，CoCrFeNi高熵合金的断裂韧性几乎保持恒定，为高低温极端重载工况下的薄膜服役提供了有力支持。

本发明采用的技术方案如下：

一种CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜在制备重载工况下使用的自润滑材料及承重区域隔离涂层中的应用。

进一步地，上述技术方案中，所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜包括基体，自基体至薄膜表面依次包括结合于基体的打底层、结合于打底层的过渡层以及结合于过渡层的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层。所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层一侧接触重载。

进一步地，上述技术方案中，所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜承受的重载工况压力为0～150N。

进一步地，上述技术方案中，所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜正常服役的温度范围为-80℃～160℃。

进一步地，上述技术方案中，所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜的掺杂相FCC结构向BCC和HCP结构逐级转变，通过结构形变诱导相变缓释重载应力，其应力开裂裂纹极少，表现出独特的高强度与高韧性，其划痕裂纹扩展阻力(即划痕韧性)CPR_S值范围为220～370N²。

进一步地，上述技术方案中，所述掺杂相为CoCrFeNi高熵合金。

进一步地，上述技术方案中，所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜的应力为0.3～0.8GPa，膜厚度为0.3～15μm，硬度为15～25GPa，结合力为35～65N，摩擦系数为0.08～0.21。

进一步地，上述技术方案中，所述承重区域隔离涂层包括相对运动构件承重区域隔离涂层。

一种CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：清洗并干燥抛光基体，安装在转架的样品台上；

步骤S2：利用等离子体清洗技术对样品表面进行处理；

步骤S3：沉积单质金属打底层；

步骤S4：沉积金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物过渡层；

步骤S5：沉积CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层。

进一步地，所述基体包括不锈钢、硅片、硬质合金或玻璃；基体具体尺寸可由工艺人员按实际镀制零件要求进行选取。

优选地，所述基体包括不锈钢、轴承钢、钛合金、镁合金、硬质合金、硅片、玻璃。

进一步地，步骤S1中，具体为：将基体先后放置于丙酮和无水乙醇中进行超声波清洗处理，随后放入真空高温干燥箱中干燥，干燥完成后将基体安装到转架的样品台上。

进一步地，步骤S2所述等离子体清洗技术的离子源包括阳极层离子源、卡夫曼离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种；离子束的离子能量为50eV～1500eV。开启加热器设定温度100～150℃，将真空腔的真空度抽至1.0×10^-5以下，通入高纯氩气，保持气压在5×10^-1～3Pa之间，设置离子束电压1000～2000V、偏压-600～-2000V，对样品进行离子清洗30～90min。

进一步地，步骤S3～S5中沉积时采用的靶材蒸发/溅射电源包括磁控溅射电源、阴极电弧蒸发源、空心阴极电弧蒸发源、热丝弧蒸发源中的任一种。

进一步地，所述磁控溅射电源包括直流磁控溅射电源、中频磁控溅射电源﹑射频磁控溅射电源、高功率脉冲磁控溅射电源中的任一种。

进一步地，步骤S3所述单质金属打底层包括Ti、Cr、W或Zr；步骤S4所述过渡层包括TiC、CrC、TiN、CrN、TiCN或CrCN。

进一步地，CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层的溅射靶材是通过真空熔炼、等静压烧结的方法制备，其纯度高于99.9％。

进一步地，CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层中Co元素：Cr元素：Fe元素：Ni元素的比例为1～2:1～2:1～2:1～2。

进一步地，沉积单质金属打底层，具体为：蒸发/溅射的靶材成分为Ti、Cr、W、Zr等其中任一种或几种金属。靶材蒸发/溅射电源可采用磁控溅射源、阴极电弧蒸发源、空心阴极电弧蒸发源、热丝弧蒸发源等中的任何一种。其中磁控溅射电源可采用直流磁控溅射电源、中频磁控溅射电源﹑射频磁控溅射电源、高功率脉冲磁控溅射电源中的任何一种。同样的，在金属碳化物/氮化物/碳氮化物过渡层和沉积CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层的制备中，靶材蒸发/溅射源的选取亦如此。

进一步地，沉积金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物过渡层，具体为：沉积的过渡层为TiC、CrC、TiN、CrN、TiCN或CrCN等碳化物/氮化物/碳氮化物中的任何一种或几种成分。

进一步地，沉积CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层，具体为：选取1～2:1～2:1～2:1～2摩尔比例的CoCrFeNi高熵合金靶材与石墨靶材共沉积，根据不同的设备条件和工艺需求，选取磁控溅射技术或增强型阴极电弧技术进行制备

进一步地，制备不同含氢量的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜，具体为：在非晶碳层的沉积过程中，通入气流量为5～80sccm的CH₄或C₂H₂等气体并电离，使不同浓度的氢离子掺杂到薄膜内，并借此改善薄膜性能。

以上实验参数范围为优选的工作参数范围，特别的，在膜层沉积过程中，可以采用离子束辅助沉积技术，电压可以选为0～2000V。本领域技术人员可选择不同离子源电压来微调薄膜沉积性能，可以通过改变蒸发/溅射电源电流来调控CoCrFeNi高熵合金在非晶碳薄膜中的掺杂量，以引入性能最佳的晶态掺杂相来缓解残余应力并协同提升力学性能。

综上，通过物理气相沉积装置制备了0.5～14μm厚度的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

本发明与现有异族金属元素掺杂非晶碳技术相比具有以下有益效果：

本发明在思想上具有创造性，采用具有晶格畸变效应的CoCrFeNi高熵合

金掺杂于非晶碳薄膜中，其内部结构通过重载作用产生形变，继而诱发相变，缓释重载应力，提供一种可在高温重载工况和低温重载工况下应用的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜及其制备方法，为高承载能力、高断裂韧性、长寿命的非晶碳薄膜研究提供了有效思路。

附图说明

图1是CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜膜层结构示意图。

图中，1、基体；2、打底层；3、过渡层；4、CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层。

图2是CoCrFeNi纳米晶掺杂非晶碳薄膜TEM和HRTEM分析图。

图中，a、明场像及电子衍射；b、暗场相；c、纳米晶高分辨相；d、纳米晶/非晶碳基质高分辨相。

图3是实施例1与对比例1的洛氏硬度计压痕形貌对照。

图中，a、实施例1压痕形貌；b、对比例1压痕形貌。和实施例1对照，未掺杂的传统非晶碳薄膜在1471N(150kg)大载荷压力下，压痕周围出现崩裂现象。

图4是实施例1与对比例1的大载荷划痕仪划痕对照。

图中，a、实施例1划痕形貌；b、对比例1划痕形貌。和实施例1对照，未掺杂的传统非晶碳薄膜在滑动压头100N的重载作用下，划痕周围出现明显的涂层剥离现象。

图5是实施例1与对比例1纳米压痕加卸载曲线对照。

图中，实施例1的加卸载曲线表现出了更好的抗压强度与弹性恢复性能，对比例1的曲线在压头压入的爬升阶段出现波动，表明未掺杂的传统非晶碳薄膜在载荷作用下出现微观上的压溃现象。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜的制备、性能作进一步说明，但不作为对本发明专利的限定。

本发明CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜具体结构参见附图1，依次由基体1、Ti/Cr/W/Zr等打底层2、TiC/CrC/TiN/CrN/TiCN/CrCN等过渡层3和CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层4组成。

实施例1

设备：薄膜的制备过程在磁控溅射+阴极电弧离子增强物理气相沉积装置上进行。所述装置包括加热器、Cr靶磁控溅射/阴极电弧蒸发源、CoCrFeNi合金靶磁控溅射/阴极电弧蒸发源、石墨靶磁控溅射/阴极电弧蒸发源、阳极层离子源、自转转架和公转转架等组成。样品架连接有一台脉冲偏压电源(0～100KHz)施加负偏压。

镀膜工艺：包括以下工艺步骤：

步骤S1：选择、清洗并安装样品。选择40×40mm尺寸的不锈钢片以及25×5mm尺寸的抛光硅片作为样品基体，将样品先后放置于丙酮和无水乙醇中利用超声波各处理15分钟，清洗表面油污以及灰尘，然后放入真空高温干燥箱中干燥，确保样品表面的洁净，之后安装到正对离子源12cm处的夹具台上。

步骤S2：对样品进行离子束清洗。设定加热器150℃提高抽气效率，利用分子泵将真空腔的真空度抽至1.0×10^-4Pa以下，通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为25sccm，保持真空腔气压在8×10^-1Pa，设置离子束电压为1300V、偏压-600V对样品进行离子束清洗60min。

步骤S3：沉积Cr打底层。通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为30sccm，保持真空腔气压在1.0Pa，设定Cr靶磁控溅射源电流为4A，电源功率为1600W，偏压为-400V，占空比为25％，同时设定离子束电压为1400V进行辅助沉积，30min后制得Cr膜层250nm，Cr靶在工作中应对其余靶材进行屏蔽保护，避免靶污染。

步骤S4：沉积CrC过渡层。通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为25sccm，保持真空腔气压在8×10^-1Pa，设定Cr靶和石墨靶磁控溅射源电流为2.5A，两靶材电源功率同为1000W，偏压为-600V，占空比为20％，同时设定离子束电压为1400V进行辅助沉积，30min后制得CrC膜层300nm。Cr、石墨靶在工作中应对其余靶材进行屏蔽保护，避免靶污染。

步骤S5：沉积CoCrFeNi掺杂非晶碳层。通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为25sccm，保持真空腔气压在8×10^-1Pa，两个石墨靶齐开，设定石墨靶磁控溅射源电流为3A，两靶材电源功率为1200W，设定CoCrFeNi合金靶磁控溅射源电流为1.2A，功率为480W，偏压为-400V，占空比为10％，同时设定离子束电压为1400V进行辅助沉积，300min后，制得CoCrFeNi掺杂非晶碳膜层1500nm。石墨、CoCrFeNi高熵合金靶在工作中应对其余靶材进行屏蔽保护，避免靶污染。

薄膜摩擦系数由高低温CETR摩擦磨损试验机测得(以下实施例同)，分别对高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)进行了摩擦磨损测试，磨损率通过白光扫描求得。

基础性能表征：膜厚2.05μm；硬度20.6GPa；结合力44N；残余应力0.60GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.183、0.163、0.198，磨损率依次为5.57×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、4.99×10^-16m³·N^-1·m^-1、6.83×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例2

设备：同实施例1。

镀膜工艺：包括以下工艺步骤：

步骤S1：同实施例1中镀膜工艺步骤S1。

步骤S2：同实施例1中镀膜工艺步骤S2。

步骤S3：同实施例1中镀膜工艺步骤S3。

步骤S4：同实施例1中镀膜工艺步骤S4。

步骤S5：沉积CoCrFeNi掺杂非晶碳层。通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为25sccm，保持真空腔气压在8×10^-1Pa，两个石墨靶齐开，设定石墨靶磁控溅射源电流为3A，两靶材电源功率为1200W，设定CoCrFeNi合金靶磁控溅射源电流为1A，功率为800W，偏压为-400V，占空比为10％，同时设定离子束电压为1400V进行辅助沉积，300min后，制得CoCrFeNi掺杂非晶碳膜层1400nm。石墨、CoCrFeNi合金靶在工作中应对其余靶材进行屏蔽保护，避免靶污染。

基础性能表征：膜厚1.95μm；硬度22.3GPa；结合力52N；残余应力为0.63GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.203、0.195、0.226，磨损率依次为6.55×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、5.56×10^-16m³·N^-1·m^-1、6.31×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例3

设备：同实施例1。

镀膜工艺：包括以下工艺步骤：

步骤S1：同实施例1中镀膜工艺步骤S1。

步骤S2：同实施例1中镀膜工艺步骤S2。

步骤S3：沉积Cr过渡层。通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为30sccm，保持真空腔气压在1.0Pa，设定Cr靶阴极电弧蒸发源电流为60A，电源功率为1800W，偏压为-80V，占空比为20％，在沉积过程中关闭离子源，并且对离子源进行屏蔽保护，避免污染。20min后制得Cr膜层0.8μm，Cr靶在工作中应对其余靶材进行屏蔽保护，避免靶污染。

步骤S4：沉积CrC过渡层。通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为25sccm，保持真空腔气压在8×10^-1Pa，设定Cr、石墨靶阴极电弧蒸发源电流同为60A，两靶材电源功率同为1800W，偏压为-80V，占空比为20％，在沉积过程中关闭离子源，并且对离子源进行屏蔽保护，避免污染。20min后制得CrC膜层1.2μm。Cr、石墨靶在工作中应对其余靶材进行屏蔽保护，避免靶污染。

步骤S5：沉积CoCrFeNi掺杂非晶碳层。通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为25sccm，保持真空腔气压在8×10^-1Pa，两个石墨靶齐开，设定石墨靶阴极电弧蒸发源电流为60A，两靶材电源功率为1800W，设定CoCrFeNi合金靶阴极电弧蒸发源电流为20A，功率为600W，偏压为-400V，占空比为10％，在沉积过程中关闭离子源，并且对离子源进行屏蔽保护，避免污染。30min后，制得CoCrFeNi掺杂非晶碳膜层4.2μm。石墨、CoCrFeNi合金靶在工作中应对其余靶材进行屏蔽保护，避免靶污染。

基础性能表征：膜厚6.2μm；硬度22.7GPa；结合力63N；残余应力为0.44GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.224、0.193、0.231，磨损率依次为7.54×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、5.48×10^-16m³·N^-1·m^-1、6.98×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例4

将实施例1步骤S3中的Cr靶替换为Ti靶，即在基体表面沉积Ti打底层。其余步骤同实施例1。制备出打底层为Ti的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

基础性能表征：膜厚2.20μm；硬度21.5GPa；结合力40N；残余应力为0.55GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.221、0.183、0.232，磨损率依次为7.53×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、5.41×10^-16m³·N^-1·m^-1、7.86×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例5

将实施例1步骤S3中的Cr靶替换为W靶，即在基体表面沉积W打底层。其余步骤同实施例1。制备出打底层为W的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

基础性能表征：膜厚2.23μm；硬度19.4GPa；结合力42N；残余应力为0.59GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.198、0.173、0.205，磨损率依次为6.54×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、4.55×10^-16m³·N^-1·m^-1、6.27×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例6

将实施例1步骤S3中的Cr靶替换为Zr靶，即在基体表面沉积Zr打底层。其余步骤同实施例1。制备出打底层为Zr的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

基础性能表征：膜厚2.11μm；硬度19.3GPa；结合力40N；残余应力为0.56GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.203、0.183、0.248，磨损率依次为4.33×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、3.98×10^-16m³·N^-1·m^-1、5.87×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例7

将实施例1步骤S4中的Cr靶和石墨靶替换为Ti靶和石墨靶，即在步骤S3的基础上沉积TiC过渡层。其余步骤同实施例1。制备出过渡层为TiC的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

基础性能表征：膜厚3.07μm；硬度20.4GPa；结合力47N；残余应力为0.57GPa

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.225、0.193、0.209，磨损率依次为6.85×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、5.22×10^-16m³·N^-1·m^-1、6.87×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例8

将实施例1步骤S4中的Cr靶和石墨靶替换为Cr靶(通入并电离N₂)，即在步骤S3的基础上沉积CrN过渡层。其余步骤同实施例1。制备出过渡层为CrN的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

基础性能表征：膜厚2.15μm；硬度19.3GPa；结合力39N；残余应力为0.69GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.213、0.183、0.228，磨损率依次为5.84×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、4.53×10^-16m³·N^-1·m^-1、7.73×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例9

将实施例1步骤S4中的Cr靶和石墨靶替换为Ti靶(通入并电离N₂)，即在步骤S3的基础上沉积TiN过渡层。其余步骤同实施例1。制备出过渡层为TiN的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

基础性能表征：膜厚2.30μm；硬度18.5GPa；结合力47N；残余应力为0.81GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.253、0.226、0.248，磨损率依次为7.54×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、6.84×10^-16m³·N^-1·m^-1、7.32×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例10

将实施例1步骤S4中的Cr靶和石墨靶替换为Cr靶和石墨靶(通入并电离N₂)，即在步骤S3的基础上沉积CrCN过渡层。其余步骤同实施例1。分别制备出过渡层为CrCN的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

基础性能表征：膜厚1.94μm；硬度20.6GPa；结合力39N；残余应力为0.62GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.235、0.193、0.227，磨损率依次为6.54×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、4.99×10^-16m³·N^-1·m^-1、7.48×10^-16m³·N^-1·m^-1。

实施例11

将实施例1步骤S4中的Cr靶和石墨靶替换为Ti靶和石墨靶(通入并电离N₂)，即在步骤S3的基础上沉积TiCN过渡层。其余步骤同实施例1。分别制备出过渡层为TiCN的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜。

基础性能表征：膜厚2.26μm；硬度20.3GPa；结合力46N；残余应力为0.56GPa。

摩擦磨损性能表征：高温重载工况(160℃、100N)、常温重载工况(24℃、100N)、低温重载工况(-80℃、100N)摩擦系数依次为0.233、0.217、0.247，磨损率依次为6.42×10^{- 16}m³·N^-1·m^-1、5.98×10^-16m³·N^-1·m^-1、7.54×10^-16m³·N^-1·m^-1。

对比例1

设备：同实施例1。

镀膜工艺：包括以下工艺步骤：

步骤S1：同实施例1中镀膜工艺步骤S1。

步骤S2：同实施例1中镀膜工艺步骤S2。

步骤S3：同实施例1中镀膜工艺步骤S3。

步骤S4：同实施例1中镀膜工艺步骤S4。

步骤S5：沉积纯非晶碳层。通入纯度为99.99％的高纯氩气，气流量为25sccm，保持真空腔气压在8×10^-1Pa，两个石墨靶齐开，设定石墨靶磁控溅射源电流为3A，两靶材电源功率为1200W，偏压为-400V，占空比为10％，同时设定离子束电压为1300V进行辅助沉积，360min后，制得纯非晶碳膜层1450nm。石墨在工作中应对其余靶材进行屏蔽保护，避免靶污染。

基础性能表征：膜厚2.0μm；硬度16.3GPa；结合力26N；残余应力为1.1GPa；

摩擦磨损性能表征：重载条件下摩擦系数不稳定，磨损率远超于实施例平均值，磨痕宽度较大，产生大量磨屑。高温重载工况(160℃、100N)下摩擦系数为2.932，5min前后失效，磨损率为9.52×10^-15m³·N^-1·m^-1；常温重载工况(24℃、100N)下摩擦系数为2.532，8min前后失效，磨损率为8.65×10^-15m³·N^-1·m^-1；低温重载工况(-80℃、100N)下摩擦系数为3.142，4min前后失效，磨损率为1.58×10^-14m³·N^-1·m^-1。

综上，本发明制备的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜在高、低温重载工况下仍可有效服役且其他机械性能良好，与现有技术相比有较为突出的综合性能，特别是承载能力方面及服役寿命上有明显优越性。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜在制备重载工况下使用的自润滑材料及承重区域隔离涂层中的应用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜包括基体，自基体至薄膜表面依次包括结合于基体的打底层、结合于打底层的过渡层以及结合于过渡层的CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳层。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜承受的重载工况压力为0～150N。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜正常服役的温度范围为-80℃～160℃。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜的掺杂相FCC结构向BCC和HCP结构逐级转变，通过结构形变诱导相变缓释重载应力，其应力开裂裂纹极少，表现出独特的高韧性，其划痕裂纹扩展阻力CPR_S值范围为220～370N²。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述掺杂相为CoCrFeNi高熵合金。

7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜的应力为0.3～0.8GPa，膜厚度为0.3～15μm，硬度为15～25GPa，结合力为35～65N，摩擦系数为0.08～0.21。

8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述承重区域隔离涂层包括相对运动构件承重区域隔离涂层。

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