熵稳定陶瓷薄膜涂层，其制备方法以及涂覆有该涂层的元件技术

本发明专利技术公开了一种制备熵稳定陶瓷薄膜涂层的方法，包括制备由多种金属元素形成的第一层，以及使第一层与阴离子反应从而将第一层的至少一部分转变成第二层。本发明专利技术还公开了一种熵稳定陶瓷薄膜涂层以及涂覆有熵稳定陶瓷薄膜涂层的元件。

【技术实现步骤摘要】
熵稳定陶瓷薄膜涂层，其制备方法以及涂覆有该涂层的元件
本专利技术涉及熵稳定陶瓷薄膜涂层，其制备方法以及涂覆有该涂层的元件。
技术介绍
熵稳定陶瓷具有优越的物理和机械性质。当前制造方法限于添加剂法，例如溅射、激光熔覆、雾化喷雾热解或高温烧结工艺。然而，这种制造方法具有几个无法克服的局限性。例如，这些熵稳定陶瓷技术通常需要昂贵的设备，例如真空，保护气体或复杂的控制系统。另外，这些技术仅提供具有低均匀性的小面积制造、小规模生产，并且实际上制造过程非常繁琐。因此，熵稳定陶瓷仅适用于几种熵稳定合金，并且不适合于商业化。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面，提供了一种制备熵稳定陶瓷薄膜涂层的方法，包括以下步骤：a)制备由具有多种金属元素的原材料形成的第一层；以及b)使第一层与阴离子反应，从而将第一层的至少一部分转变成第二层。在一个实施例中，第一层被布置为以由上而下的方式与阴离子反应。在一个实施例中，以近似相等的原子比提供原料。在一个实施例中，原材料选自钛，铝，钒，铁，钴，镍，铬和铌。在一个实施例中，第二层紧密地结合到第一层。在一个实施例中，步骤b)还包括在第一层和第二层之间形成介孔结构的步骤。在一个实施例中，薄膜的物理性质与介孔结构的形态有关。在一个实施例中，介孔结构的孔径尺寸为10至50nm。在一个实施例中，第一层包括熵稳定合金。在一个实施例中，熵稳定合金选自TiAlV,TiAlVCr,FeCoNi和TiAlVNbCr。在一个实施例中，步骤b)还包括用阴离子对第一层进行阳极氧化的步骤以形成第二层。在一个实施例中，在阳极氧化的电场下将阴离子掺入到第一层的晶格中以形成第二层。在一个实施例中，阴离子包括氧阴离子。在一个实施例中，第二层包括氧化物。在一个实施例中，通过阳极氧化电势，电解质的类型，电解质的浓度和阳极氧化的持续时间中的至少一项来控制薄膜的物理性质。在一个实施例中，阳极氧化电势为10至100V。在一个实施例中，电解质包括酸溶液。在本专利技术的另一方面，提供了根据本文所述方法制备的熵稳定陶瓷薄膜涂层。在一个实施例中，硬度在9至14GPa之间。在一个实施例中，折减模量在140至190GPa之间。在本专利技术的又一方面，提供了一种涂覆有本文所述的熵稳定陶瓷薄膜涂层的元件。附图说明参照示出本专利技术的可能布置的附图方便进一步描述本专利技术。本专利技术的其他布置是可能的，并且因此附图的特殊性不应被理解为取代本专利技术的先前描述的一般性。图1示出了在本专利技术的一个示例性实施例中用于制备熵稳定陶瓷反应中的熵稳定合金、阴离子和熵稳定陶瓷；图2a是一组灰度的光学照片，描绘了所施加的阳极氧化电势为10至100V；图2b是通过本方法在10V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的扫描电子显微镜(SEM)图像的顶视图；图2c是通过本方法在20V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图2d是通过本方法在30V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图2e是通过本方法在40V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图2f是通过本方法在50V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图2g是通过本方法在60V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图2h是通过本方法在70V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图2i是通过本方法在80V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图2j是通过本方法在90V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图2k是通过本方法在100V的阳极氧化电势下2小时制造的熵稳定陶瓷的SEM图像的顶视图；图3提供了与本方法相关的多个图像，其中：图像a是通过本方法制造的熵稳定陶瓷的图像；图像b是图像a的熵稳定陶瓷的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像和相应的选择区域电子衍射(SAED)结果；图c是图a的熵稳定陶瓷的能量色谱(EDS)映射图像；图像d仅显示了图像c的EDS映射图像中的熵稳定陶瓷的铝含量；图像e仅显示图像c的EDS映射图像中的熵稳定陶瓷的氧含量；图像f仅显示了图像c的EDS映射图像中熵稳定陶瓷的钛含量；图g仅示出图c的EDS映射图中熵稳定陶瓷的钒含量；图4是在100V的阳极氧化电势下2小时制备的TiAlVOx熵稳定氧化物(ESO)的X射线光电子能谱(XPS)深度分布；图5a是示出在10-100V范围内的不同阳极氧化电势下获得的TiAlVOxESO的硬度图形；以及图5b是示出在10-100V范围内的不同阳极氧化电势下获得的TiAlVOxESO的折减模量的图形。具体实施方式专利技术人通过自己的研究、试验和实验，设计出熵稳定陶瓷，具有优越的机械和物理性能，并专利技术了可用于工业应用的制备熵稳定陶瓷的实用方法。专利技术人发现，现有主要的熵稳定陶瓷元件通常是通过组合或烧结数种金属盐或陶瓷这些“自下而上”的方法来制造的，通常需要昂贵的设备，例如真空装置，保护性气体或复杂的控制系统，长时间的高温处理和/或复杂的合成工艺，才能获得熵稳定陶瓷，这不可避免地增加了熵稳定陶瓷的制造成本并限制了它们的实际应用。在本专利技术中，专利技术人设计了一种完全新颖，快速而又简便且经济的方法，该方法消耗更少能量来生产熵稳定陶瓷膜。首先参考图1，提供了一种制备熵稳定陶瓷薄膜涂层100的方法，其包括以下步骤：制备由具有多种金属元素的原材料形成的第一层102；以及使第一层102与阴离子120反应，从而将第一层102的至少一部分转变成第二层104。现在转到薄膜涂层100的详细结构，薄膜涂层100优选包括至少两层，第一层102用作基底，第二层104形成在第一层102的顶部作为涂层，介孔结构106夹在第一层102和第二层104之间。第一层102可以由选自具有近似相等原子比的多种金属(例如钛，铝，钒，铁，钴，镍，铬和铌)的原材料制成的合金材料(例如各种各样的熵稳定合金，例如TiAlV，TiAlVCr,FeCoNi和TiAlVNbCr)形成。这种熵稳定的合金被定义为包含原子百分比相同或接近相同的三种或更多种主要元素的固溶合金。这些合金具有很高的混合熵，在热力学上非常稳定。与常规合金相比，这些熵稳定合金具有独特的物理和机械性质。为了制造第二层104，对第一层102的上表面进行电化学反应，以“由上而下”的方式，即从上到下，部分地从第一层102中去除金属原子。第二层104将被形成并紧密地结合到下面的第一层102。例如，可以用阴离子120例如氧阴离子或硫阴离子进行阳极氧化第一层102。通过用氧阴离子或硫阴离子120对形成第一层102的熵稳定合金进行阳极氧化，可以在电场下将阴离子12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备熵稳定陶瓷薄膜涂层的方法，包括以下步骤：/na)制备由具有多种金属元素的原材料形成的第一层；以及/nb)使所述第一层与阴离子反应，从而将所述第一层的至少一部分转变成第二层。/n

【技术特征摘要】
20190423 US 16/391,7531.一种制备熵稳定陶瓷薄膜涂层的方法，包括以下步骤：
a)制备由具有多种金属元素的原材料形成的第一层；以及
b)使所述第一层与阴离子反应，从而将所述第一层的至少一部分转变成第二层。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一层被布置为以由上而下的方式与阴离子反应。


3.根据权利要求1所述的方法，其中以近似相等的原子比提供所述原料。


4.根据权利要求1所述的方法，其中所述原材料选自钛，铝，钒，铁，钴，镍，铬和铌。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二层紧密地结合到所述第一层。


6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤b)还包括在所述第一层和所述第二层之间形成介孔结构的步骤。


7.根据权利要求6所述的方法，其中所述薄膜的物理性质与所述介孔结构的形态有关。


8.根据权利要求7所述的方法，其中所述介孔结构的孔径尺寸为10至50nm。


9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一层包括熵稳定合金。


10.根据权利要求9所述的方法，其中所述熵稳定合金选自TiAlV，TiAlVCr,FeCoN...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞海东，赫全锋，李泽彪，吕坚，杨勇，李扬扬，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81