高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用。所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜包括在其厚度方向上交替层叠的VAlTiCrCu高熵合金层和WC硬质层，其包含按照原子百分含量计算的如下元素：V 5～10％、Al 5～10％、Ti 5～10％、Cr 10～20％、Cu 10～20％、C 15～25％及W 20～35％。所述制备方法包括：采用磁控溅射技术，以磁控溅射复合靶和WC整体靶为阴极靶材，以保护性气体为工作气体，对基体施加负偏压，在基体表面沉积得到高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜。本发明专利技术的高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜具有高硬度、优异的耐磨损及磨蚀性能，可用于海水环境下的基体防护。

【技术实现步骤摘要】
高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种高熵合金复合薄膜，特别涉及一种VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜及其制备方法，以及其在海水环境下的应用，属于表面处理

技术介绍
随着时代的发展海洋对人类的重要性越来越大，尤其近代以来经济全球化的不断发展把各个国家紧密的联系在一起，各个国家的贸易也越来越多。而海洋运输是国际物流中最主要的运输方式，国际贸易总运量中的2/3以上，中国进出口货运总量的约90％都是利用海上运输。所以随着我国经济的快速发展，海洋运输已成为我国经济发展最强有力的增长点和带动力，而现在的海洋国防也已成为国家安全重点。所以先进的海洋装备，既是加强海洋国防力量的重要保障，也是发展海洋运输的必要支撑。然而，由于海洋的高湿高盐等环境的特殊性，海洋装备零部件的损伤程度非常大，其服役寿命大幅缩减，特别是工作在海水环境中的装备，其关键摩擦副零部件受到电化学和摩擦的双重作用，大大加速了零部件的损伤失效，如海水柱塞泵的关键摩擦副部件、船舶动力系统的关键零部件均存在严重的腐蚀磨损早期失效问题，这已成为制约新一代海洋装备高效、稳定和长寿命服役的瓶颈。面对海洋腐蚀问题，一般采用的是不锈钢、钛合金、工程陶瓷以及聚合物等耐蚀材料。然而，不锈钢和钛合金在海水中的摩擦系数高、耐磨性差，工程陶瓷脆性大和加工性差，而聚合物硬度强度低。近年来，表面防护涂层薄膜技术已经成为海水摩擦副零部件强化和防腐的重要手段，是提高海洋装备使用寿命最为重要的技术途径，这其中磁控溅射技术制备的金属氮化物、碳化物或氧化物涂层因其硬度高，耐腐蚀性好而广泛用于海洋机械装备摩擦副零部件的表面强化。但高硬度的陶瓷涂层的脆性高、韧性差的问题，导致其在海水中高湿高盐的摩擦环境中极易形成贯穿性微裂纹，发生剥落等失效现象。因此发展韧性好、耐磨蚀的表面涂层薄膜对海洋环境尤其深海高压环境摩擦副零部件的抗磨蚀尤为重要。目前，高熵合金薄膜在制备过程中多选用高熵合金靶或者单个元素和低组元合金靶材的组合。但是，高熵合金靶难以调控元素含量，且制作成本高；采用单个元素的独立靶材难以获得成分均匀的高熵涂层。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜及其制备方法，从而克服了现有技术中的不足。本专利技术的另一目的还在于提供所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术实施例提供了一种高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜，其包括在所述纳米多层薄膜厚度方向上交替层叠的高熵合金层和WC硬质层，所述高熵合金层的材质为VAlTiCrCu，并且，所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜包含按照原子百分含量计算的如下元素：V5～10％、Al5～10％、Ti5～10％、Cr10～20％、Cu10～20％、C15～25％及W20～35％。在一些优选实施例中，所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜是利用磁控溅射技术在基体表面沉积而获得的，其中高熵合金层呈单晶态结构。本专利技术实施例还提供了前述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的制备方法，其包括：采用磁控溅射技术，以磁控溅射复合靶和WC整体靶为阴极靶材，以保护性气体为工作气体，对基体施加负偏压，在基体表面沉积得到高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜；其中，所述磁控溅射复合靶包括在垂直方向上呈周期排列的至少一个靶周期，每一靶周期包括在垂直方向上自上至下依次层叠的V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Cu靶材；其中，所述磁控溅射复合靶和WC整体靶分别对应设置于磁控溅射设备的两侧。在一些优选实施例中，所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括：溅射功率为1800～2200W，基体偏压为-28V～-32V，基体温度为280～320℃，反应腔体内压力为0.1～1.0Pa，保护性气体流量为140～160sccm，沉积时间为6～9h。本专利技术实施例还提供了前述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜在海水环境下基体表面防护领域中的用途。本专利技术实施例还提供了一种装置，包括基体，所述基体上还设置有前述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜。本专利技术选用耐腐蚀性组元V、Al、Ti、Cr、Cu构成高熵合金薄膜，耐磨损陶瓷相WC构成硬质层，通过控制复合靶和WC整体靶的打开时间以及利用磁控溅射技术在基体表面沉积而得到单晶态的VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜，具有如下有益效果：1)本专利技术提供的VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜一方面由耐腐蚀性组元V、Al、Ti、Cr、Cu构成；另一方面加入了耐磨材料WC硬质层并采用磁控溅射技术而VAlTiCrCu高熵合金呈单晶态结构，因此该VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜具有高硬度以及优异的耐磨损及磨蚀性能，其硬度可以高于10Gpa，因此是一种耐磨耐腐蚀的材料，可在高磨损、高腐蚀的恶劣环境中对基体进行良好保护，例如可用于海水环境下的基体防护等；2)本专利技术将各元素靶材依次层叠、周期排列，不仅制作成本低，而且能够获得成分均匀的VAlTiCrCu薄膜，以及相应的VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例1中的VAlTiCrCu复合靶的排布示意图。图2是本专利技术实施例1中VAlTiCrCu复合靶与整体靶的相对位置示意图。图3a、图3b分别是本专利技术实施例1中制得的VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的SEM图及局部放大图。图4是本专利技术实施例1中制得的VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的磨蚀摩擦系数曲线图。图5是本专利技术实施例1中制得的VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的磨蚀磨损率图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的系一种高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜，其包括在所述纳米多层薄膜厚度方向上交替层叠的高熵合金层和WC硬质层，所述高熵合金层的材质为VAlTiCrCu，其选用耐腐蚀性元素V、Al、Ti、Cr、Cu和耐磨材料WC。进一步地，所述VAlTiCrCu高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜自基体表面起，依次包括VAlTiCrCu高熵合金层、WC硬质层交替叠加形成的交替多层。进一步地，所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜包含按照原子百分含量计算的如下元素：V5～10％、Al5～10％、Ti5～10％、Cr10～20％、Cu10～2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜，其特征在于包括在所述纳米多层薄膜厚度方向上交替层叠的高熵合金层和WC硬质层，所述高熵合金层的材质为VAlTiCrCu，并且，所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜包含按照原子百分含量计算的如下元素：V 5～10％、Al 5～10％、Ti 5～10％、Cr 10～20％、Cu 10～20％、C 15～25％及W 20～35％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜，其特征在于包括在所述纳米多层薄膜厚度方向上交替层叠的高熵合金层和WC硬质层，所述高熵合金层的材质为VAlTiCrCu，并且，所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜包含按照原子百分含量计算的如下元素：V5～10％、Al5～10％、Ti5～10％、Cr10～20％、Cu10～20％、C15～25％及W20～35％。


2.根据权利要求1所述的高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜，其特征在于：所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜是利用磁控溅射技术在基体表面沉积而获得的，其中高熵合金层呈单晶态结构。


3.根据权利要求1所述的高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜，其特征在于：所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的总厚度为2.5～3.1μm；所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜包含复数个交替周期，每一交替周期包含一高熵合金层和一WC硬质层；所述交替周期的厚度为17～350nm；所述高熵合金层的厚度为9～130nm，所述WC硬质层的厚度为8～120nm；
和/或，所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的硬度高于10Gpa；
和/或，所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的耐磨蚀性能提高40％～70％；
和/或，所述高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的摩擦系数降低30％～40％。


4.如权利要求1-3中任一项所述的高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于包括：
采用磁控溅射技术，以磁控溅射复合靶和WC整体靶为阴极靶材，以保护性气体为工作气体，对基体施加负偏压，在基体表面沉积得到高熵合金/WC硬质层纳米多层薄膜；
其中，所述磁控溅射复合靶包括在垂直方向上呈周期排列的至少一个靶周期，每一靶周期包括在垂直方向上自上至下依次层叠的V靶材、Al靶材、Ti靶材、Cr靶材、Cu靶材；
其中，所述磁控溅射复合靶和WC整体靶分别对应设置于磁控溅射设备的两侧。


5.根据权利要求4所的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射复合靶包含10～14个所述靶...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲吉斌，毛云雷，王海新，王立平，卢光明，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33