CN117004908A - 一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层及其制备和硬化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层及其制备和硬化方法，属于溅射进行镀覆技术领域。该方法包括如下步骤：(1)采用离子刻蚀，以等离子体轰击衬底，得到活化刻蚀衬底；随后采用磁控溅射，以高熵合金作为靶材，在所述活化刻蚀衬底表面溅射形成硬质涂层，得到覆层衬底；(2)所述覆层衬底经热处理使表面涂层硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。本发明工艺简单、生产效率高，所得高硬度纳米复合结构高熵合金涂层，其硬度高，能够有效降低摩擦损伤，延长衬底材料的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及溅射进行镀覆技术领域，尤其涉及一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层及其制备和硬化方法。
背景技术
材料加工和成型过程中使用到的工具、机器部件和大型设施均遭受着严重的摩擦学损害，这使得材料表面的机械性能逐渐甚至灾难性地恶化，最终促使其适用性的失效，造成巨大的资源浪费和经济亏损。因此，提升机械设备和零部件的力学性能，延长其使用寿命，成为现代工业制造中亟待解决的问题。
在材料表面沉积硬质涂层可以有效地改善材料遭受的摩擦损伤并延长其使用寿命，此外，通过涂层制备技术将基本的材料科学原理与广泛多样的制备工艺条件相结合，能进一步提升材料的综合性能。化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)是目前主流的涂层制备方法。CVD技术制备的涂层与基底结合强度高，化学纯度良好，且制备过程简单，并能在各种复杂形状的零部件(如管道内壁、孔隙等)上沉积。然而，CVD技术沉积涂层的过程需要极高的反应温度(900℃以上)，高温使涂层和衬底面临晶粒长大等问题，制约了其进一步应用。与CVD技术相比，PVD技术能在较低的温度(500℃以下)下沉积涂层，且制得的涂层表面光滑，其内部通常表现为压应力，机械强度高，因此被广泛应用于硬质涂层的沉积。磁控溅射法制备的硬质涂层具有纳米级的晶粒尺寸、均匀的组织结构和低元素偏析等特点，其力学性能优异，在PVD技术制备硬质涂层中占主导地位。
高熵合金是一个至少包含5种元素的新型合金系统。与传统的合金体系相比，高熵合金具备特有的四大效应，即：热力学上的高熵效应；动力学上的迟缓扩散效应；结构上的晶格畸变效应和性能上的“鸡尾酒”效应。因此，高熵合金表现出更加优异的力学性能、耐磨性能和热稳定性能，迅速成为现代工业制造所关注的热点。除了块体高熵合金，相关概念已被应用于PVD技术沉积的硬质涂层中，促进了高硬涂层的进一步发展。
高熵合金硬质涂层的微观结构对其性能的影响很大，不同的制备工艺又对涂层的微观结构产生复杂的影响规律。为了进一步提升硬质涂层的力学性能，需从微观结构上解析其硬化机理，并建立工艺-结构-性能的相关性，这具有重要的科学意义。然而，目前对磁控溅射法沉积的高熵合金涂层的硬化机理研究比较有限。因此，从纳米尺度分析高熵合金涂层的精细结构，深入揭示其硬化机理并改善其力学性能，成为目前的研究重点。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种工艺简单、生产效率高的高硬度纳米复合结构高熵合金涂层的制备及其硬化方法，包括如下步骤：
(1)采用离子刻蚀，以等离子体轰击衬底，得到活化刻蚀衬底；随后采用磁控溅射，以高熵合金作为靶材，在所述活化刻蚀衬底表面溅射形成硬质涂层，得到覆层衬底；
(2)所述覆层衬底经热处理使表面涂层硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
优选的，所述步骤(1)的具体方法如下：清除衬底表面的杂质，采用离子刻蚀，先将衬底置于真空及一定温度下，随后通入氩气并设置衬底的偏压和占空比；氩气在弧电源电流作用下电离形成Ar+离子束，以Ar+离子束轰击衬底，得到活化刻蚀衬底；再次通入氩气并设置衬底的偏压和占空比，以高熵合金作为溅射靶材，采用磁控溅射，通过溅射使溅射靶材中的物质沉积在活化刻蚀衬底表面，得到覆层衬底。
进一步优选的，所述温度为1001300℃；在所述离子刻蚀中，通入氩气后的气压为0.511.0Pa；在所述磁控溅射中，通入氩气后的气压为0.511.5Pa。
进一步优选的，在所述离子刻蚀中，所述衬底的偏压为-2001-50V，衬底的占空比为30％170％；在所述磁控溅射中，所述衬底的偏压为-30010V，衬底的占空比为30％170％。
进一步优选的，所述弧电源电流为801120A。
进一步优选的，所述高熵合金为AlCrNbSiTi高熵合金。
更进一步的，所述AlCrNbSiTi高熵合金中，Al、Cr、Nb、Si、Ti的原子比为34：22：11：11：22。
为了调控涂层的微观结构，本发明通过理论计算设计AlCrNbSiTi靶材的成分，采用理论指导实践的方法调控AlCrNbSiTi硬质涂层的微观结构，优化了涂层的性能。本发明通过对高熵合金系统的三个相结构预测参数进行计算，合理设计具有较大的原子尺寸差异(δ)、较负的混合焓(ΔH3ix)和较小的混合熵(ΔS3ix)与ΔH3ix之比(Ω)的高熵合金靶材，即原子比例如上所述的AlCrNbSiTi高熵合金。在上述比例下，充分利用Si原子与Al、Cr、Nb和Ti原子之间极负的二元混合焓引起的强化学吸引作用，合成得到一种具有非晶-纳米晶硅化物的纳米复合结构的高硬度高熵合金涂层。通过高温退火处理，进一步使涂层得到硬化，利用高分辨透射电子显微镜分析揭示了硬质纳米晶硅化物的存在及其在退火处理后的大量析出是涂层的硬化机理。
进一步优选的，所述磁控溅射的溅射功率为5001900W。
优选的，所述步骤(2)的具体方法如下：将所述覆层衬底置于真空环境下，随后通入惰性气体作为保护气体，升温至一定温度，并在该温度下进行退火处理；退火处理完成后，自然冷却至室温，完成涂层的硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
进一步优选的，通入惰性气体后的气压为0.511.0Pa；所述升温的速率为315℃33i3。
进一步优选的，所述退火处理的温度为60011000℃，时间为215h。
本发明可以选择合适的加工参数来满足不同情况的应用需求，工艺灵活。
在本发明的第二方面，提供了一种高硬纳米复合结构高熵合金涂层，该涂层由本发明第一方面的方法制备而成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明提供了一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层的制备及其硬化方法，该方法工艺简单、生产效率高。在热处理过程中，利用高熵合金中硬质纳米晶在高温下析出的特点，达到硬化涂层的目的。
本发明提供了一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层，其硬度高，能够有效降低摩擦损伤，延长衬底材料的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例采用的磁控溅射设备示意图，其中：1代表真空系统，2代表加热器，3代表通气管道，4代表样品架，5代表磁控溅射电源，6代表溅射靶材，7代表弧电源，8代表弧靶材，9代表挡板；
图2中，(a)为本发明中设计溅射靶材成分时所采用的AlCrNbSiTi高熵合金系统的相结构预测参数δ、ΔH3ix和Ω的计算结果；(b)为AlCrNbSiTi高熵合金溅射靶材中各原子之间的二元混合焓；(c)为δ-Ω模型以及不同的δ-Ω值所对应的相结构；(d)为δ-ΔH3ix模型以及不同的δ-ΔH3ix值所对应的相结构；
图3中，(a)为实施例1的高硬纳米复合结构高熵合金涂层的表面形貌图；(b)为实施例1的高硬纳米复合结构高熵合金涂层的三维地质形貌图；(c)为实施例1的高硬纳米复合结构高熵合金涂层的截面形貌图；
图4中，(a)为实施例1的高硬纳米复合结构高熵合金涂层的微观结构图；(b)为(a)中A区域的傅里叶变换(FFT)处理图像；(c)为(a)中A区域的反傅里叶变换(IFFT)处理图像；(d)为(a)中B区域的傅里叶变换(FFT)处理图像；(e)为(a)中B区域的反傅里叶变换(IFFT)处理图像；
图5中，(a)和(b)分别为实施例1的高硬纳米复合结构高熵合金涂层的微观结构图和选取电子衍射图；(c)为实施例1、实施例618、对照例1所得涂层的X射线衍射图谱；
图6为实施例1、实施例618、对照例1所得涂层的纳米硬度和弹性模量变化规律图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
以下实施例中：
衬底为商用单晶Si(100)片、304不锈钢片、WC硬质合金；
弧靶材为商用Cr(99.99％)靶；
溅射靶材由Al、Cr、Nb、Si、Ti五种元素的粉末按原子比34：22：11：11：22混合后采用热等静压法在500℃、130MPa下保温保压烧结2h制成。
实施例1
一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层，采用如下方法制成：
(1)将衬底分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗103i3，去除衬底表面灰尘、有机物以及其他顽固污染物，随后在氮气氛围内干燥后迅速装入真空腔室内，防止再次污染；将衬底置于如图1所示磁控溅射设备的样品架，此时衬底与弧靶材平行，溅射靶材与弧靶材垂直设置；开启冷却系统，通过真空系统抽真空，同时打开加热器，以使得腔室内真空度调节到2×10-3Pa，调节到300℃；通气管道通入Ar气至腔室内气压为0.5Pa，设置衬底偏压为-150V、占空比为70％，开启弧电源，弧电源电流为100A，在电压差作用下形成电弧增强辉光放电，使Ar电离成Ar+，Ar+离子束在电势差下轰击衬底，除去衬底表面的氧化物并活化表面以增加基底与涂层的结合力，得到活化刻蚀衬底，为了保护衬底不受弧靶材中溅射出的Cr+影响，刻蚀过程中弧靶材设置了挡板且挡板处于关闭状态，对Cr+进行阻挡；轰击结束后关闭弧电源，将样品架顺时针旋转90°，使衬底与溅射靶材平行，保持衬底的偏压和占空比不变，通入Ar气至腔室内气压为0.5Pa，打开磁控溅射电源，调节溅射功率为600W，在Ar气流及磁控溅射电源作用下，溅射出靶材物质并沉积至活化刻蚀衬底表面，控制沉积时间形成厚度1.6u3的溅射涂层，制备结束后关闭磁控溅射设备，自然冷却至室温，得到覆层衬底；
(2)将所述覆层衬底置于管式炉中，将管式炉内真空度调节到3×10-3Pa，随后通入Ar气作为保护气体，至腔室内气压为0.5Pa；设置管式炉内升温速率为3℃33i3，升温至700℃并在该温度下保温2h进行退火处理；退火处理完成后自然冷却至室温，完成硬质涂层的硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
实施例2
一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层，采用如下方法制成：
(1)将衬底分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗103i3，去除衬底表面灰尘、有机物以及其他顽固污染物，随后在氮气氛围内干燥后迅速装入真空腔室内，防止再次污染；将衬底置于如图1所示磁控溅射设备的样品架，此时衬底与弧靶材平行，溅射靶材与弧靶材垂直设置；开启冷却系统，通过真空系统抽真空，同时打开加热器，以使得腔室内真空度调节到2×10-3Pa，调节到250℃；通气管道通入Ar气至腔室内气压为0.8Pa，设置衬底偏压为-100V、占空比为50％，开启弧电源，弧电源电流为110A，在电压差作用下形成电弧增强辉光放电，使Ar电离成Ar+，Ar+离子束在电势差下轰击衬底，除去衬底表面的氧化物并活化表面以增加基底与涂层的结合力，得到活化刻蚀衬底，为了保护衬底不受弧靶材中溅射出的Cr+影响，刻蚀过程中弧靶材设置了挡板且挡板处于关闭状态，对Cr+进行阻挡；轰击结束后关闭弧电源，将样品架顺时针旋转90°，使衬底与溅射靶材平行，保持衬底的偏压和占空比不变，通入Ar气至腔室内气压为1.0Pa，打开磁控溅射电源，调节溅射功率为900W，在Ar气流及磁控溅射电源作用下，溅射出靶材物质并沉积至活化刻蚀衬底表面，控制沉积时间形成厚度1.2u3的溅射涂层，制备结束后关闭磁控溅射设备，自然冷却至室温，得到覆层衬底；
(2)将所述覆层衬底置于管式炉中，将管式炉内真空度调节到3×10-3Pa，随后通入Ar气作为保护气体，至腔室内气压为0.5Pa；设置管式炉内升温速率为4℃33i3，升温至900℃并在该温度下保温3h进行退火处理；退火处理完成后自然冷却至室温，完成硬质涂层的硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
实施例3
一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层，采用如下方法制成：
(1)将衬底分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗103i3，去除衬底表面灰尘、有机物以及其他顽固污染物，随后在氮气氛围内干燥后迅速装入真空腔室内，防止再次污染；将衬底置于如图1所示磁控溅射设备的样品架，此时衬底与弧靶材平行，溅射靶材与弧靶材垂直设置；开启冷却系统，通过真空系统抽真空，同时打开加热器，以使得腔室内真空度调节到2×10-3Pa，调节到100℃；通气管道通入Ar气至腔室内气压为0.9Pa，设置衬底偏压为-200V、占空比为40％，开启弧电源，弧电源电流为90A，在电压差作用下形成电弧增强辉光放电，使Ar电离成Ar+，Ar+离子束在电势差下轰击衬底，除去衬底表面的氧化物并活化表面以增加基底与涂层的结合力，得到活化刻蚀衬底，为了保护衬底不受弧靶材中溅射出的Cr+影响，刻蚀过程中弧靶材设置了挡板且挡板处于关闭状态，对Cr+进行阻挡；轰击结束后关闭弧电源，将样品架顺时针旋转90°，使衬底与溅射靶材平行，保持衬底的偏压和占空比不变，通入Ar气至腔室内气压为0.9Pa，打开磁控溅射电源，调节溅射功率为800W，在Ar气流及磁控溅射电源作用下，溅射出靶材物质并沉积至活化刻蚀衬底表面，控制沉积时间形成厚度1.0u3的溅射涂层，制备结束后关闭磁控溅射设备，自然冷却至室温，得到覆层衬底；
(2)将所述覆层衬底置于管式炉中，将管式炉内真空度调节到3×10-3Pa，随后通入Ar气作为保护气体，至腔室内气压为0.5Pa；设置管式炉内升温速率为5℃33i3，升温至1000℃并在该温度下保温4h进行退火处理；退火处理完成后自然冷却至室温，完成硬质涂层的硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
实施例4
(1)将衬底分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗103i3，去除衬底表面灰尘、有机物以及其他顽固污染物，随后在氮气氛围内干燥后迅速装入真空腔室内，防止再次污染；将衬底置于如图1所示磁控溅射设备的样品架，此时衬底与弧靶材平行，溅射靶材与弧靶材垂直设置；开启冷却系统，通过真空系统抽真空，同时打开加热器，以使得腔室内真空度调节到2×10-3Pa，调节到150℃；通气管道通入Ar气至腔室内气压为1.0Pa，设置衬底偏压为-50V、占空比为70％，开启弧电源，弧电源电流为120A，在电压差作用下形成电弧增强辉光放电，使Ar电离成Ar+，Ar+离子束在电势差下轰击衬底，除去衬底表面的氧化物并活化表面以增加基底与涂层的结合力，得到活化刻蚀衬底，为了保护衬底不受弧靶材中溅射出的Cr+影响，刻蚀过程中弧靶材设置了挡板且挡板处于关闭状态，对Cr+进行阻挡；轰击结束后关闭弧电源，将样品架顺时针旋转90°，使衬底与溅射靶材平行，保持衬底的偏压和占空比不变，通入Ar气至腔室内气压为0.6Pa，打开磁控溅射电源，调节溅射功率为500W，在Ar气流及磁控溅射电源作用下，溅射出靶材物质并沉积至活化刻蚀衬底表面，控制沉积时间形成厚度1.8u3的溅射涂层，制备结束后关闭磁控溅射设备，自然冷却至室温，得到覆层衬底；
(2)将所述覆层衬底置于管式炉中，将管式炉内真空度调节到3×10-3Pa，随后通入Ar气作为保护气体，至腔室内气压为0.5Pa；设置管式炉内升温速率为5℃33i3，升温至800℃并在该温度下保温5h进行退火处理；退火处理完成后自然冷却至室温，完成硬质涂层的硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
实施例5
(1)将衬底分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗103i3，去除衬底表面灰尘、有机物以及其他顽固污染物，随后在氮气氛围内干燥后迅速装入真空腔室内，防止再次污染；将衬底置于如图1所示磁控溅射设备的样品架，此时衬底与弧靶材平行，溅射靶材与弧靶材垂直设置；开启冷却系统，通过真空系统抽真空，同时打开加热器，以使得腔室内真空度调节到2×10-3Pa，调节到200℃；通气管道通入Ar气至腔室内气压为0.7Pa，设置衬底偏压为-150V、占空比为30％，开启弧电源，弧电源电流为80A，在电压差作用下形成电弧增强辉光放电，使Ar电离成Ar+，Ar+离子束在电势差下轰击衬底，除去衬底表面的氧化物并活化表面以增加基底与涂层的结合力，得到活化刻蚀衬底，为了保护衬底不受弧靶材中溅射出的Cr+影响，刻蚀过程中弧靶材设置了挡板且挡板处于关闭状态，对Cr+进行阻挡；轰击结束后关闭弧电源，将样品架顺时针旋转90°，使衬底与溅射靶材平行，保持衬底的偏压和占空比不变，通入Ar气至腔室内气压为0.8Pa，打开磁控溅射电源，调节溅射功率为700W，在Ar气流及磁控溅射电源作用下，溅射出靶材物质并沉积至活化刻蚀衬底表面，控制沉积时间形成厚度2.0u3的溅射涂层，制备结束后关闭磁控溅射设备，自然冷却至室温，得到覆层衬底；
(2)将所述覆层衬底置于管式炉中，将管式炉内真空度调节到3×10-3Pa，随后通入Ar气作为保护气体，至腔室内气压为0.5Pa；设置管式炉内升温速率为3℃33i3，升温至600℃并在该温度下保温3h进行退火处理；退火处理完成后自然冷却至室温，完成硬质涂层的硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
实施例6
本实施例与实施例1基本一致，区别仅在于，步骤(2)中退火处理的温度为600℃。
实施例7
本实施例与实施例1基本一致，区别仅在于，步骤(2)中退火处理的温度为800℃。
实施例8
本实施例与实施例1基本一致，区别仅在于，步骤(2)中退火处理的温度为900℃。
对照例1
一种高熵合金涂层，采用如下方法制成：
将衬底分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗103i3，去除衬底表面灰尘、有机物以及其他顽固污染物，随后在氮气氛围内干燥后迅速装入真空腔室内，防止再次污染；将衬底置于如图1所示磁控溅射设备的样品架，此时衬底与弧靶材平行，溅射靶材与弧靶材垂直设置；开启冷却系统，通过真空系统抽真空，同时打开加热器，以使得腔室内真空度调节到2×10-3Pa，调节到300℃；通气管道通入Ar气至腔室内气压为0.5Pa，设置衬底偏压为-150V、占空比为70％，开启弧电源，弧电源电流为100A，在电压差作用下形成电弧增强辉光放电，使Ar电离成Ar+，Ar+离子束在电势差下轰击衬底，除去衬底表面的氧化物并活化表面以增加基底与涂层的结合力，得到活化刻蚀衬底，为了保护衬底不受弧靶材中溅射出的Cr+影响，刻蚀过程中弧靶材设置了挡板且挡板处于关闭状态，对Cr+进行阻挡；轰击结束后关闭弧电源，将样品架顺时针旋转90°，使衬底与溅射靶材平行，保持衬底的偏压和占空比不变，通入Ar气至腔室内气压为0.5Pa，打开磁控溅射电源，调节溅射功率为600W，在Ar气流及磁控溅射电源作用下，溅射出靶材物质并沉积至活化刻蚀衬底表面，控制沉积时间形成厚度1.6u3的溅射涂层，制备结束后关闭磁控溅射设备，自然冷却至室温，得到高熵合金涂层。
测试例1
对实施例及测试例所得涂层的各项性能进行测试。并观察实施例1所得涂层的微观形貌，分别以扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨率透射电子显微镜进行观测；纳米硬度和弹性模量基于连续刚度法，由纳米压痕仪测得。
由图2(a)可知，本发明设计的高熵合金系统具有较大的δ、较负的ΔH3ix和较小的Ω；由图2(b)可知，Si原子与Al、Cr、Nb和Ti原子之间具有极负的二元混合焓，将引起极强的化学吸引，形成硅化物；图2(c)和(d)基于根据文献数据得到，由图2(c)和(d)可知，基于图2(a)的理论计算结果，本发明设计的高熵合金系统将形成非晶-纳米晶的纳米复合结构。
由图3(a)和(b)可知，实施例1制备形成的涂层表面致密光滑，粗糙度(Rq)小；由图3(c)可知，实施例1制备形成的涂层无明显的缺陷，并且与基体结合紧密、无明显的孔隙，说明涂层结合力良好，可满足应用要求。
由图4(a)可知，实施例1制备形成的涂层具有非晶(A区域)-纳米晶(B区域)的纳米复合结构；由图4(b)可知，图4(a)中A区域的FFT图像呈现出非晶相所对应的弥散环，进一步确认了A区域整体表现为非晶相；由图4(c)可知，图4(a)中A区域的IFFT图像没有连续的晶格条纹，总体上呈非晶态，在较小尺度范围内(约133)存在一些晶格条纹，表明涂层在133左右存在短程有序的原子排列，与图5(c)中未退火涂层的X射线衍射图谱结果一致；由图4(d)可知，图4(a)中B区域的FFT图像呈现明显的六方结构硅化物的衍射斑点(Nb5Si3#08-0422，Ti5Si3#29-1362，Cr5Si3#09-0242)，确认了B区域表现为纳米晶硅化物；由图4(e)可知，图4(a)中B区域的IFFT图像呈现出典型的六方结构的“ABAB”堆叠特征，进一步确认了B区域表现为纳米晶硅化物；由图4可知，实施例1制备形成的涂层具有非晶-纳米晶硅化物的纳米复合结构，与理论计算相吻合，印证了本发明可依据理论计算调控微观结构。
由图5(a)可知，基于实施例1条件下对涂层进行700℃的退火处理后，在非晶基体中观测到大量的析出物；由图5(b)可知，基于实施例1条件下对涂层进行700℃的退火处理后，其选取电子衍射图像表明在非晶衍射环中出现了大量的衍射斑点，对应图5(a)中的析出物；由图5(c)可知，基于实施例1条件下对涂层进行不同温度的退火处理后，其X射线衍射图谱表明高温退火促进了硅化物的析出，随着退火温度的升高，其衍射峰的强度更强(尽管退火处理在真空中进行，但管式炉内残留的一些氧气导致了900℃下出现了微弱的氧化铝的衍射峰)；由图5可知，本发明中通过真空退火处理能够有效的调控涂层的微观结构。
由图6可知，基于实施例1条件下对涂层进行不同温度的退火处理后，能够有效的提升涂层的硬度实现其硬化，结合图5可知，硅化物的大量析出是涂层硬化的机理。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高硬度纳米复合结构高熵合金涂层的制备及其硬化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用离子刻蚀，首先以等离子体轰击衬底，得到活化刻蚀衬底；随后采用磁控溅射，以高熵合金作为靶材，在所述活化刻蚀衬底表面溅射形成硬质涂层，得到覆层衬底；
(2)所述覆层衬底经热处理使表面涂层硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体方法如下：清除衬底表面的杂质，采用离子刻蚀，先将衬底置于真空及一定温度下，随后通入氩气并设置衬底的偏压和占空比；氩气在弧电源电流作用下电离形成Ar+离子束，以Ar+离子束轰击衬底，得到活化刻蚀衬底；再次通入氩气并设置衬底的偏压和占空比，以高熵合金作为溅射靶材，采用磁控溅射，通过溅射使溅射靶材中的物质沉积在活化刻蚀衬底表面，得到覆层衬底。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述温度为1001300℃；在所述离子刻蚀中，通入氩气后的气压为0.511.0Pa；在所述磁控溅射中，通入氩气后的气压为0.511.5Pa。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在所述离子刻蚀中，所述衬底的偏压为-2001-50V，衬底的占空比为30％170％；在所述磁控溅射中，所述衬底的偏压为-30010V，衬底的占空比为30％170％；所述弧电源电流为801120A。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述高熵合金为AlCrNbSiTi高熵合金，AlCrNbSiTi高熵合金中，Al、Cr、Nb、Si、Ti的原子比为34：22：11：11：22。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述磁控溅射的溅射功率为5001900W。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体方法如下：将所述覆层衬底置于真空环境下，随后通入惰性气体作为保护气体，升温至一定温度，并在该温度下进行退火处理；退火处理完成后，自然冷却至室温，完成涂层的硬化，得到高硬纳米复合结构高熵合金涂层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：通入惰性气体后的气压为0.511.0Pa；所述升温的速率为315℃33i3。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述退火处理的温度为60011000℃，时间为215h。
10.一种高硬纳米复合结构高熵合金涂层，其特征在于：采用如权利要求119任一项所述的方法制备而成。
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| CN117004908A true CN117004908A (zh) | 2023-11-07 |
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2023
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