CN114959582B - 一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114959582B
CN114959582B CN202210483088.1A CN202210483088A CN114959582B CN 114959582 B CN114959582 B CN 114959582B CN 202210483088 A CN202210483088 A CN 202210483088A CN 114959582 B CN114959582 B CN 114959582B
Authority
CN
China
Prior art keywords
preparation
film
entropy alloy
target
gpa
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210483088.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114959582A (zh
Inventor
杨滨
张黎
叶奇鲁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology Beijing USTB
Original Assignee
University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology Beijing USTB filed Critical University of Science and Technology Beijing USTB
Priority to CN202210483088.1A priority Critical patent/CN114959582B/zh
Publication of CN114959582A publication Critical patent/CN114959582A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114959582B publication Critical patent/CN114959582B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C23C14/3414—Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

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

一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法
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％、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。
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2a中烧结环境为真空环境；三段式升温温度分别为470℃、960℃、1380℃；保温时间分别为90min、30min、2h，制备靶材尺寸为
Figure GDA0004243089020000021
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AlCrFeTiMoSi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75r/min；球磨时间18h，每隔3h检查粉体是否粘连；
2、合金靶材制备
将制备好的粉体放入模具中，一起放入真空热压烧结炉中，在真空环境下升温至470℃保温90min，升温至960℃，保温30min，升温至1380℃，保温2h，炉冷；并机械加工靶材尺寸为
Figure GDA0004243089020000042
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
Figure GDA0004243089020000041
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75r/min；球磨时间18h，每隔3h检查粉体是否粘连；
2、合金靶材制备
将制备好的粉体放入模具中，一起放入真空热压烧结炉中，在真空环境下升温至470℃保温90min，升温至960℃，保温30min，升温至1380℃，保温2h，炉冷；并机械加工靶材尺寸为
Figure GDA0004243089020000051
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
Figure GDA0004243089020000061

Claims (1)

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％；
所述的高熵合金薄膜的制备方法，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；T91钢片为热轧钢板，状态为正火+回火，单面抛光；
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；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；
步骤2a中烧结环境为真空环境；三段式升温温度分别为470℃、960℃、1380℃；保温时间分别为90min、30min、2h，制备靶材尺寸为
Figure FDA0004228538130000021
Figure FDA0004228538130000022
所述高熵合金薄膜，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。
CN202210483088.1A 2022-05-05 2022-05-05 一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法 Active CN114959582B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210483088.1A CN114959582B (zh) 2022-05-05 2022-05-05 一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210483088.1A CN114959582B (zh) 2022-05-05 2022-05-05 一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114959582A CN114959582A (zh) 2022-08-30
CN114959582B true CN114959582B (zh) 2023-06-27

Family

ID=82981526

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210483088.1A Active CN114959582B (zh) 2022-05-05 2022-05-05 一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114959582B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116516286B (zh) * 2023-04-18 2024-02-09 哈尔滨工业大学 一种屏蔽高能电子的高熵陶瓷氮化物防护涂层及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2905707B1 (fr) * 2006-09-08 2009-01-23 Centre Nat Rech Scient Procede pour deposer sur un substrat une couche mince d'alliage metallique et alliage metallique sous forme de couche mince.
CN104561915A (zh) * 2015-01-29 2015-04-29 烟台希尔德新材料有限公司 一种大尺寸钼铌靶材的制备方法
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

Also Published As

Publication number Publication date
CN114959582A (zh) 2022-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113652659B (zh) 一种与基体冶金结合的高熵合金氮化物涂层的制备方法
CN109402564B (zh) 一种AlCrSiN和AlCrSiON双层纳米复合涂层及其制备方法
CN114959582B (zh) 一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法
CN111321381B (zh) 一种硬质合金刀片的AlCrNbSiTiBN基纳米复合涂层及其制备方法
CN114574827B (zh) 一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用
CN115142018A (zh) 一种耐高温液态铅/铅铋合金腐蚀的高熵合金涂层及其制备方法
CN111455333A (zh) 一种富Al刚玉结构Al-Cr-O薄膜及其制备方法
CN117867447A (zh) 一种硬质高熵合金氮化物薄膜材料及其制备方法
CN109988998A (zh) 一种多元高熵合金薄膜的制备方法
CN111485219B (zh) 具有高耐磨性的AlCrSiN/Mo热处理型涂层及其制备工艺
CN110512181B (zh) 一种纳米晶Al-Zr合金薄膜及其制备方法
CN114000118B (zh) 一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法
CN112501553A (zh) 一种Mo掺杂型AlCrSiN/Mo自润滑薄膜及其制备方法
CN115852326B (zh) 一种耐液态铅/铅铋腐蚀的FeCrAlYTi高熵合金涂层的制备方法
CN114645254B (zh) 一种TiAlMoNbW高熵合金氮化物薄膜及其制备工艺
CN111647859B (zh) 一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺
CN110527951B (zh) 一种复合润滑膜及其制备方法、工件
CN111500990B (zh) 一种Zr-Ti-B-N纳米复合涂层及其制备方法
CN111424254B (zh) 一种提高AlCrSiN/Mo纳米复合涂层韧性与耐磨性的热处理工艺
CN115161607A (zh) 一种稀土掺杂高熵合金氮化物涂层及其制备方法
CN114672778A (zh) 一种纳米晶NbMoTaWTi难熔高熵合金涂层及其制备方法
CN110643943B (zh) 一种掺杂类石墨碳膜及其制备方法、工件
CN114959584A (zh) 一种TaNbTi基难熔中熵非晶合金涂层及其制备方法
CN114807880B (zh) 一种纳米晶TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层及其制备方法
CN114481030A (zh) 一种固体中子转换层及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant