一种双相结构高熵合金的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双相层状结构高熵合金的制备方法，其特征在于采用直流溅射交替沉积软相和硬相层，两相呈交替的层状分布，调控软相和硬相体积比和晶粒尺寸，然后再进行真空退火处理，获得双相层状结构高熵合金。其中硬相保证了合金的高强度，软相为合金提供了良好的塑性，通过软硬两相的协调约束变形，提高合金的应变硬化能力，此外，高密度的相界面可有效阻碍位错运动，位错在界面处塞积，产生界面强化，保证了合金的高硬度与高塑性。本发明专利技术方法操作简单，重复性好，清洁无污染，实现效果良好，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种双相结构高熵合金的制备方法
本专利技术涉及一种高强度高塑性的双相结构高熵合金的制备方法，通过调控相体积比、晶粒尺寸和相分布，实现兼具高强度与高塑性的力学特性。技术背景高熵合金是由五种或五种以上的元素按照等或近等原子比合金化而成的一种简单固溶体结构合金，具有优异的力学与物理特性，近年来成为国内外材料科学领域的研究热点之一。受晶格畸变与迟滞扩散等效应的影响，高熵合金具有高强度、高耐磨性、耐腐蚀以及良好的耐高温性等，这使得高熵合金作为结构材料或防护涂层具有广泛的应用前景。与传统合金一样，高熵合金的性能依旧由其组成相与微观结构决定。固溶体相结构类型直接决定高熵合金的力学特性，面心立方(fcc)与体心立方(bcc)结构是高熵合金中最常见的两种固溶体相，其形成与合金的主元成分紧密相关，前者主要是由多种3d过渡族金属混合形成，后者多为难熔金属组成。通常fcc结构高熵合金具有更高的塑性与加工硬化能力，但是屈服强度低，而bcc结构高熵合金的强度更高，但塑性差。相比单相固溶体，双相高熵合金可兼具高强度与高塑性，具有更加优异的综合力学性能，有效可控的制备出双相高熵合金是当前亟需研究的关键科学问题。目前制备双相高熵合金的方法，主要有两种，一种是通过应力驱动相变，从而形成双相结构，该方法适用性有限，只有对于易发生应力驱动相变的高熵合金有效，而且无法调控相的分布；另一种是通过在基体中沉淀析出第二相，形成双相结构，该方法无法对相体积比和相分布进行精确调控，而且工艺复杂。因此亟需研发一种对双相高熵合金相体积比、特征尺寸和相分布进行精确调控的制备方法，获得兼具高强度与高塑性的综合力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种兼具高强度与高塑性的双相结构高熵合金的制备方法，利用磁控溅射法交替沉积相体积比和特征尺寸可控调节的双相高熵合金，并且能将不同单相高熵合金组合成双相高熵合金，提高合金的强度和塑性。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：一种双相层状结构高熵合金的制备方法，其特征在于，采用直流溅射交替沉积软相(例如fcc相)和硬相层(例如bcc相)，两相呈交替的层状分布，精确调控软相和硬相体积比和晶粒尺寸，然后再进行真空退火处理，获得双相层状结构高熵合金。其中硬相层主要提供合金的高强度，软相层保证了合金的良好塑性，从而兼具高强度与高塑性。采用多靶直流磁控溅射法，溅射靶材分别为纯度99.9wt％的CoCrNi、CoCrNiFeMn、NbMoTaW、TiZrHfNbTa和NbTiVTa，基体为单晶Si或抛光金属Cu、Ti、Fe等。具体步骤为：步骤1，在镀膜之前，先将衬底进行超声清洗；为了除去靶材表面的污渍等，保证薄膜的纯度，对靶材进行的预溅射，其中预溅射本底真空为1.0×10-3至1.0×10-5Pa，工作压力为0.8-1.2Pa(以下溅射沉积硬相层和软相层的参数相同)；步骤2，溅射沉积一层bcc结构的硬相层，其中溅射功率为100-500W(实验室)，工业应用中溅射功率一般为2kW-20kW；步骤3，溅射沉积一层fcc结构的软相层，其中溅射功率为100-500W(实验室)，工业应用中溅射功率一般为2-20kW；步骤4，重复步骤2和步骤3，获得不同相体积比，制备出沉积态双相层状高熵合金；步骤5，最后再进行不同温度的退火处理，最终制得双相层状高熵合金。优选步骤2中bcc结构的硬相层为NbMoTaW，TiZrHfNbTa或NbTiVTa等。优选步骤2中硬相单层厚度为10-1000nm；晶粒尺寸为10-200nm。优选步骤3中fcc结构的软相层为CoCrNi或CoCrNiFeMn等。优选步骤3中软相单层厚度为10-1000nm；晶粒尺寸为10-200nm。优选步骤4中fcc相与bcc相体积比为1-100。优选步骤4中双相高熵合金沉积总厚度为4-10μm。优选步骤5中退火温度为200-400℃，退火时间为1-2h。上述的双相层状高熵合金体系，可以是fcc/bcc(CoCrNi/NbMoTaW，CoCrNi/TiZrHfNbTa，CoCrNi/NbTiVTa、CoCrNiFeMn/NbMoTaW，CoCrNiFeMn/TiZrHfNbTa和CoCrNiFeMn/NbTiVTa)；该方法还可以推广至fcc/hcp、fcc/fcc、hcp/bcc和bcc/bcc体系中。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)采用交替沉积的方法，形成呈层状分布的双相结构高熵合金，并且可以精确调控相体积比、单层厚度和晶粒尺寸，实现组织与结构的最优化。(2)该方法可以实现不同体系的单相高熵合金之间的组合，例如fcc/fcc，fcc/bcc，fcc/hcp、bcc/hcp和bcc/bcc，获得不同相界面和性能匹配的双相高熵合金。(3)该方法制备的双相层状高熵合金，包含了软相和硬相，其中硬相保证了合金的高强度，软相则为合金提供了良好的塑性，从而实现了高强度和高塑性。(4)本专利技术操作简单方便，可控性好，清洁无污染，适合大规模产业化。附图说明图1为fcc层厚度相同、相体积比(或调制比)不同的fcc/bcc双相高熵合金示意图；其中(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为实施例3；图2为相体积比(或调制比)相同、单层厚度不同的fcc/bcc双相高熵合金示意图；其中(a)为实施例4，(b)为实施例5，(c)为实施例6。具体实施方式实施例1步骤1，单晶Si衬底表面清洗和靶材预溅射；预溅射本底真空为1.0×10-5Pa，工作压力为0.8Pa，高纯Ar气作为离子源；步骤2，本底真空为1.0×10-5Pa，工作压力为0.8Pa，高纯Ar气作为离子源，溅射功率100W，沉积bcc结构的NbMoTaW层，单层厚度控制为10nm，晶粒尺寸10nm。步骤3，溅射功率100W，溅射沉积fcc结构的CoCrNi层，单层厚度控制为1000nm，晶粒尺寸200nm。步骤4，重复步骤2和步骤3，调制fcc和bcc单层厚度，获得fcc相和bcc相体积比为100的双相层状高熵合金，总厚度为10μm。如图1a所示。步骤5，进行200℃的退火处理1小时，制得双相层状高熵合金。双相层状高熵合金的硬度和均匀塑性应变分别达到9GPa和35％。实施例2步骤1，单晶Si衬底表面清洗和靶材预溅射(本底真空为1.0×10-5Pa，工作压力为0.8Pa，高纯Ar气作为离子源)步骤2，本底真空为1.0×10-5Pa，工作压力为0.8Pa，高纯Ar气作为离子源，溅射功率100W，沉积bcc结构的NbMoTaW层，单层厚度控制为500nm，晶粒尺寸120nm。步骤3，溅射功率100W，溅射沉积fcc结构的CoCrNi层，单层厚度控制为1000nm，晶粒尺寸200nm。步骤4，重复步骤2和步骤3，调制fcc和bcc单层厚度，获得fcc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双相结构高熵合金的制备方法，其特征在于，采用直流溅射交替沉积软相和硬相层，两相呈交替的层状分布，调控软相和硬相体积比和晶粒尺寸，然后再进行真空退火处理，获得双相层状结构高熵合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种双相结构高熵合金的制备方法，其特征在于，采用直流溅射交替沉积软相和硬相层，两相呈交替的层状分布，调控软相和硬相体积比和晶粒尺寸，然后再进行真空退火处理，获得双相层状结构高熵合金。


2.根据权利1所述的制备方法，其具体步骤为：
步骤1，衬底表面清洗和靶材预溅射，其中预溅射控制本底真空为1.0×10-3至1.0×10-5Pa，工作压力为0.8-1.2Pa；
步骤2，溅射沉积一层bcc结构的硬相层，其中溅射功率为100-500W；
步骤3，溅射沉积一层fcc结构的软相层，其中溅射功率为100-500W；
步骤4，重复步骤2和步骤3，获得不同相体积比，制备出沉积态双相层状高熵合金；
步骤5，最后再进行退火处理，最终制得双相结构高熵合金。


3.根据权利2所述的方法，其特征在于步骤2中bcc结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：操振华，张子鉴，翟高阳，李鹏飞，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32