CN114959582A - 一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法,属于高熵合金领域。薄膜成分由Al、Cr、Fe、Ti、Mo、Si六种元素组成,原子比为Al 23%~25%、Cr 23%~25%、Fe 10%~12%、Ti 23%~25%、Mo 13%~15%、Si 1%~2%。薄膜组织结构为非晶态,硬度为11.21GPa~12.99GPa,弹性模量为162.1GPa~177.03GPa。制备方法分为靶材粉体制备、合金靶材制备、基体的准备、磁控溅射沉积薄膜四个步骤。本发明制备的薄膜元素分布均匀,表面粗糙度小,结构处于无序状态,具有优异的耐腐蚀性能;同时,由于元素原子尺寸差异较大,且非晶薄膜没有位错、晶界缺陷,大大提高了薄膜的硬度。本发明的制备方法可行性强,可重复性高,成本低,可在复杂构件、薄壁件表面制备高硬度、耐腐蚀的高熵合金薄膜,易于应用和推广。
Description
技术领域
本发明涉及高熵合金材料技术领域,特别涉及一种AlCrFeTiMoSi六元高熵合金薄膜及其制备方法。
背景技术
Yeh等在2006年首次提出高熵合金的四个核心效应:热力学上的高熵效应、结晶学上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的鸡尾酒效应,这些效应使得大部分高熵合金在性能上要优于传统合金。高熵合金块体主要通过电弧熔炼方法制备。但制备时样品尺寸有限、工艺成本较高。此外,也有学者采用机械合金法或粉末冶金技术制备高熵合金,但这两种方法工序较为复杂。高熵合金涂层/ 薄膜以高熵合金理论为基础,在降低成本的基础上可获得与高熵合金块体相似的性能。
磁控溅射工作温度可控,可在薄壁零件镀nm、μm级薄膜,有利于抑制金属间化合物形成,形成单一固溶体或非晶相,有望应用于复杂薄壁零件表面,提高其硬度、耐磨性和腐蚀性能。
发明内容
本发明旨在提供一种非等原子比AlCrFeTiMoSi高熵合金薄膜材料及制备方法。主要包括靶材的制备、基体的准备以及磁控溅射沉积薄膜。
本发明提供的技术方案如下:
一种高硬度六元高熵合金薄膜,其特征在于,所述薄膜成分由Al、Cr、Fe、 Ti、Mo、Si六种元素组成,原子比为Al 23%~25%、Cr 23%~25%、Fe 10%~12%、 Ti 23%~25%、Mo 13%~15%、Si 1%~2%。
进一步地,所述的高熵合金薄膜,薄膜组织结构为非晶态,硬度为11.21GPa~12.99GPa,弹性模量为162.1GPa~177.03GPa。
如上所述的高熵合金薄膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1、靶材粉体制备
1a将纯度≥99.9%,粒度~200目的纯金属粉末按照原子比Al 23%~25%、Cr23%~ 25%、Fe 10%~12%、Ti 23%~25%、Mo 13%~15%、Si1%~2%称量;
1b通过行星式球磨机球磨混粉;球磨球料比10∶1;保护气为氩气;转速75r/min;球磨时间18h,每隔3h检查粉体是否粘连;
步骤2、合金靶材制备
2a通过真空热压烧结炉进行三段式保温热压烧结;炉冷后机械加工至合适靶材尺寸;步骤3、基体的准备
3a将单面抛光<100>Si和T91钢切成相同尺寸的片状试样;
3b切割后用丙酮六面擦净试样,再用去离子水冲洗;然后在无水乙醇中进行超声振动,振动时间15-25min;用吹风机从侧面将基片吹干备用;
步骤4、磁控溅射沉积薄膜;
4a将靶材固定在靶材座,Si和T91基片放入样品座中,用高温胶固定; 4b打开机械泵、分子泵将本底真空度调为4.3×10-4帕,冲入99.99%氩气作为工作气体;
4c在1.8Pa工作气压、氩气流量60sccm,溅射功率50W下对靶材和基片进行13-17min离子清洗,除去表面氧化物;
4d将基体加热至300℃,氩气流速30sccm,气压0.5Pa,溅射功率200W,持续溅射4-5小时,随后高真空炉冷得到AlCrFeTiMoSi高熵合金薄膜。
进一步地,步骤1b中球磨球料比10∶1;保护气为氩气;转速75r/min;球磨时间16-20h,每隔3h检查粉体是否粘连。
进一步地,步骤3a中Si片为单面抛光,其晶向为<100>;T91钢片为热轧钢板,状态为正火+回火,单面抛光。
进一步地,步骤4b中本底真空度4.3×10-4帕,冲入99.99%氩气作为工作气体。
进一步地,步骤4c中的工作气压为1.8Pa、氩气流量60sccm,溅射功率50W,对靶材和基片的预溅射时间为13-17min。
步骤4d中基体温度300℃,氩气流速30sccm,气压0.5Pa,溅射功率200W,溅射时间4-5h,高真空炉冷,随后高真空炉冷得到AlCrFeTiMoSi高熵合金薄膜。
上述的一种高熵合金薄膜厚度约2μm,组织结构呈非晶态,本发明具有以下有益效果:
1、薄膜元素分布均匀,表面粗糙度小(1.15nm);由于其结构处于无序状态,且具有Al、Cr、Ti等耐蚀元素,具有优异的耐腐蚀性能;同时,由于元素原子尺寸差异较大,且非晶薄膜没有位错、晶界缺陷,大大提高了薄膜的硬度(11.21GPa~ 12.99GPa)和弹性模量(162.1GPa~177.03GPa)。
2、本发明的制备方法可靠,可行性强,可重复性高,成本低,可在复杂构件、薄壁件表面制备高硬度、耐腐蚀的高熵合金薄膜,易于实现工业应用和推广。
附图说明
图1为所述A1CrFeTiMoSi高熵合金薄膜XRD,表明薄膜为非晶结构。
图2为实施例1所述高熵合金薄膜形貌。
图3为所述实施例1所述高熵合金薄膜粗糙度。
图4为所述实施例1所述高熵合金薄膜纳米压痕。
图5为所述实施例2所述高熵合金薄膜形貌。
图6为所述实施例2所述高熵合金薄膜纳米压痕。
图7为所述实施例2所述合金薄膜位移-弹性模量曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明,旨在便于本发明的理解,不起任何限定作用。
实施例1
本实施例制备的AlCrFeTiMoSi高熵合金薄膜,具体制备方法如下:
1、靶材粉体制备
(1)将纯度≥99.9%,粒度~200目的纯金属粉末按照原子比Al 23%~25%、 Cr23%~25%、Fe 10%~12%、Ti 23%~25%、Mo 13%~15%、Si 1%~2%进行称量;
(2)通过行星式球磨机球磨混粉;球磨球料比10∶1;保护气为氩气;转速75 r/min;球磨时间18h,每隔3h检查粉体是否粘连;
2、合金靶材制备
3、基体的准备
将单面抛光<100>Si切成相同尺寸的片状试样,试样用丙酮六面擦净,再用去离子水冲洗;然后在无水乙醇中超声振动20min,用吹风机从侧面将基片吹干备用;
4、磁控溅射沉积薄膜
(1)将靶材固定在靶材座,Si基片放入样品座中,用高温胶固定住;
(2)打开机械泵、分子泵将本底真空度抽至4.3×10-4Pa,并冲入99.99%氩气作为工作气体;
(3)在1.8Pa工作气压、氩气流量60sccm,溅射功率50W对靶材和基片进行15min离子清洗,除去表面氧化物、杂质等污染物;
(4)将基座加热至300℃,氩气流速30sccm,气压0.5Pa,溅射功率200W,持续溅射4.5小时,随后高真空炉冷得到AlCrFeTiMoSi高熵合金薄膜。
按照上述实施例得到的合金薄膜成分均匀,保持了靶材的成分。
图2是按照上述实施例得到的合金薄膜表面形貌。
图3是按照上述实施例得到的合金薄膜表面粗糙度。
图4为所述实施例1所述高熵合金薄膜纳米压痕载荷-位移曲线。
表1是按照上述实施例得到的合金薄膜成分。
表1
实施例2
本实施例制备的AlCrFeTiMoSi高熵合金薄膜,具体制备方法如下:
1、靶材粉体制备
(1)将纯度≥99.9%,粒度~200目的纯金属粉末按照原子比Al 23%~25%、 Cr23%~25%、Fe 10%~12%、Ti 23%~25%、Mo 13%~15%、Si 1%~2%进行称量;
(2)通过行星式球磨机球磨混粉;球磨球料比10∶1;保护气为氩气;转速75 r/min;球磨时间18h,每隔3h检查粉体是否粘连;
2、合金靶材制备
3、基体的准备
将热轧T91钢板切成相同尺寸的片状试样,六面机械磨光,在丙酮、去离子水、乙醇中分别超声振动20min,单面抛光后,用乙醇擦拭抛光面,并用吹风机从侧面将基片吹干备用;
4、磁控溅射沉积薄膜
(1)将靶材固定在靶材座,钢基片放入样品座中,利用高温胶固定;
(2)打开机械泵、分子泵将本底真空度抽至4.3×10-4Pa,并冲入99.99%氩气作为工作气体;
(3)在1.8Pa工作气压、氩气流量60sccm,溅射功率50W对靶材和基片进行15min离子清洗,除去表面氧化物、杂质等污染物;
(4)将基座加热至300℃,氩气流速30sccm,气压0.5Pa,溅射功率200W,持续溅射4.5小时,随后高真空炉冷得到AlCrFeTiMoSi高熵合金薄膜。
图5是按照上述实施例得到的合金薄膜表面形貌。
图6是按照上述实施例得到的合金薄膜位移-硬度曲线。
图7是按照上述实施例得到的合金薄膜位移-弹性模量曲线。
表2是按照上述实施例得到的合金薄膜成分。
表2
本发明通过熔炼-退火-锻造-热轧-退火的工艺,在显著细化显微组织的同时,有效控制FCC相中析出有序相,释放晶格畸变,有效阻碍位错运动,形成高密度位错,最终形成细小孪晶,有效提升合金的高温性能。与目前广泛研究的CoCrFeNi(Al,Mo) 体系中可拉伸且具耐热潜质的高熵合金对比,700℃高温性能优势明显。
表3
Claims (9)
1.一种高硬度六元高熵合金薄膜,其特征在于,所述薄膜成分由Al、Cr、Fe、Ti、Mo、Si六种元素组成,原子比为Al 23%~25%、Cr 23%~25%、Fe 10%~12%、Ti 23%~25%、Mo13%~15%、Si 1%~2%。
2.根据权利要求1所述的高熵合金薄膜,其特征在于,薄膜组织结构为非晶态,硬度为11.21GPa~12.99GPa,弹性模量为162.1GPa~177.03GPa。
3.权利要求1或权利要求2所述的高熵合金薄膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1、靶材粉体制备
1a将纯度≥99.9%,粒度~200目的纯金属粉末按照原子比Al 23%~25%、Cr 23%~25%、Fe 10%~12%、Ti 23%~25%、Mo 13%~15%、Si 1%~2%称量;
1b通过行星式球磨机球磨混粉;球磨球料比10:1;保护气为氩气;转速75r/min;球磨时间18h,每隔3h检查粉体是否粘连;
步骤2、合金靶材制备
2a通过真空热压烧结炉进行三段式保温热压烧结;炉冷后机械加工至合适靶材尺寸;
步骤3、基体的准备
3a将单面抛光<100>Si和T91钢切成相同尺寸的片状试样;
3b切割后用丙酮六面擦净试样,再用去离子水冲洗;然后在无水乙醇中进行超声振动,振动时间15-25min;用吹风机从侧面将基片吹干备用;
步骤4、磁控溅射沉积薄膜;
4a将靶材固定在靶材座,Si和T91基片放入样品座中,用高温胶固定;
4b打开机械泵、分子泵将本底真空度调为4.3×10-4帕,冲入99.99%氩气作为工作气体;
4c在1.8Pa工作气压、氩气流量60sccm,溅射功率50W下对靶材和基片进行13-17min离子清洗,除去表面氧化物;
4d将基体加热至300℃,氩气流速30sccm,气压0.5Pa,溅射功率200W,持续溅射4-5小时,随后高真空炉冷得到AlCrFeTiMoSi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:
步骤1b中球磨球料比10:1;保护气为氩气;转速75r/min;球磨时间16-20h,每隔3h检查粉体是否粘连。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:
步骤3a中Si片为单面抛光,其晶向为<100>;T91钢片为热轧钢板,状态为正火+回火,单面抛光。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:
步骤4b中本底真空度4.3×10-4帕,冲入99.99%氩气作为工作气体。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:
步骤4c中的工作气压为1.8Pa、氩气流量60sccm,溅射功率50W,对靶材和基片的预溅射时间为13-17min。
9.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:
步骤4d中基体温度300℃,氩气流速30sccm,气压0.5Pa,溅射功率200W,溅射时间4-5h,高真空炉冷。
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