本发明专利技术公开了一种梯度陶瓷化高熵合金涂层，设置在钛合金表面，钛合金表面依次有TiZrNbHfTa高熵合金涂层和(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层，0＜x≤0.5，TiZrNbHfTa高熵合金涂层包括TiZrNbHfTa过渡层、TiZrNbHfTa沉积层，TiZrNbHfTa过渡层与钛合金相连，TiZrNbHfTa沉积层分别与TiZrNbHfTa过渡层、(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层相连。本发明专利技术还公开了一种梯度陶瓷化高熵合金涂层制法。本发明专利技术能够提高复合结构涂层的应变容限，成分的梯度变化有利于降低应力，提高涂层与基体结合强度，磨损率降低，摩擦系数降低，腐蚀电流降低。低。低。
【技术实现步骤摘要】
一种梯度陶瓷化高熵合金涂层及其制备方法
[0001]本专利技术属于高熵合金涂层及其制法，具体为一种梯度陶瓷化高熵合金涂层及其制备方法。
技术介绍
[0002]钛合金因具有优异的力学性能和良好的生物相容性成为外科植入领域最广泛应用的金属之一。在人工关节应用领域，钛合金中有毒的钒和铝离子释放到周围组织，其潜在的生物毒性严重威胁着人体的健康，引发骨质疏松、周围神经病、阿尔茨海默症等严重疾病。同时一方面钛合金因耐磨性差，容易引起过早的磨损失效，且易引发人体安全问题。目前，相关文献已报道人体内钛及钛合金植入件发生磨损后周围的组织中发现有金属颗粒磨屑的沉积，进而导致骨溶解并在周围组织中产生炎症。另一方面钛合金为多相合金，不同相之间的热力学稳定性存在差异，在复杂的人体体液环境中易构成腐蚀微电池，进而引发植入件的腐蚀失效。为克服上述问题，对钛合金进行表面改性具有重要意义。
[0003]高熵合金是由五种或者五种以上的元素以(近)等原子比组成的多主元合金材料，近年来，高熵合金凭借其优异的力学性能和独特的物理化学性能得到广泛重视。高熵合金涂层是一种低维度形态(至少有一个方向是微米级尺度)的高熵合金材料，不仅展现出与块体合金相似的优异性能，而且在某些性能上优于合金块体材料。章跃在《腐蚀与防护》第33卷第8期“医用Ti6Al4V合金表面改性研究进展”一文中指出生物陶瓷薄膜具有耐摩擦磨损性、耐腐蚀性以及良好的生物相容性，对提高钛合金外植入体表面改性方面具有较大的应用前景，但是薄膜与基体的结合力较弱是限制生物陶瓷薄膜发展的瓶颈。
[0004]对于高熵合金涂层应用在生物植入材料的表面改性领域，其成分选定参考因素包括：生物相容性、高化学稳定性、在特定体液中的耐磨损性以及与基体的良好结合力。本次专利技术选择生物指标良好的过渡族金属元素Ti、Zr、Nb、Hf、Ta为研究对象，各合金元素与Ti具有相似的原子半径和最外层电子结构，由过渡族金属组成的碳化物和氮化物很大程度上满足了在生物环境中服役的要求。Braic等人在期刊《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》第10卷中“Characterization of multi
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principal
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element(TiZrNbHfTa)N and(TiZrNbHfTa)C coatings for biomedical applications”一文中研究了磁控溅射法沉积的(TiZrNbHfTa)N和(TiZrNbHfTa)C高熵合金生物医用涂层，该涂层显著提高了基体钛合金的耐磨性能，成骨细胞附着于涂层上后细胞存活率达到80％以上，表现出了生物高熵合金涂层良好的生物活性。但是磁控溅射沉积的高熵合金涂层，结合力差，且限制了其应用范围。
[0005]高熵合金涂层常用的制备技术还包括激光熔覆技术、热喷涂技术、和电化学沉积技术等，但均存在着不可忽视的缺点。激光熔覆技术由于能量太高，在制备高熵合金涂层时，金属液滴发生飞溅导致薄膜表面形成小颗粒，影响了涂层与基体的结合力；如等离子喷涂难以克服涂层结构疏松、膜基结合强度低的缺点；电化学沉积高熵合金涂层多为多晶态或者非晶态，涂层致密性不足。
[0006]总的来说，现有的表面改性涂层普遍与钛合金基体结合力较弱，摩擦磨损性能不足，耐腐蚀性能差，限制了其作为生物陶瓷薄膜的应用。
技术实现思路
[0007]专利技术目的：为了克服现有技术的不足，本专利技术目的是提供一应变容限大、降低应力、耐磨损性能和耐腐蚀性能好的梯度陶瓷化高熵合金涂层，本专利技术的另一目的是提供一种简单方便的梯度陶瓷化高熵合金涂层的制备方法。
[0008]技术方案：本专利技术所述的一种梯度陶瓷化高熵合金涂层，设置在钛合金表面，钛合金表面依次设置TiZrNbHfTa高熵合金涂层和(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层，0＜x≤0.5，TiZrNbHfTa高熵合金涂层包括TiZrNbHfTa过渡层、TiZrNbHfTa沉积层，TiZrNbHfTa过渡层与钛合金相连，TiZrNbHfTa沉积层分别与TiZrNbHfTa过渡层、(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层相连。
[0009]进一步地，TiZrNbHfTa过渡层的厚度为5～7μm，TiZrNbHfTa沉积层的厚度为3～5μm，(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层的厚度为8～10μm。表面形成硬质过渡层，防止在压力的作用下，高硬度的TiZrNbHfTa/(TiZrNbHfTa)Cx梯度陶瓷化高熵合金涂层缺少足够的支撑力而发生破坏。
[0010]进一步地，TiZrNbHfTa高熵合金涂层包含以下质量百分数的物质：Ti 8％～10％，Zr16％～18％，Nb 16％～18％，Hf 28％～30％，余量为Ta。
[0011]进一步地，钛合金为TA15合金、TB8合金、TC4(Ti6Al4V)合金或TC18合金，优选为TC4(Ti6Al4V)合金。
[0012]上述梯度陶瓷化高熵合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0013]a、利用强流脉冲电子束对钛合金表面进行表面预处理；
[0014]b、采用双层辉光等离子法在钛合金表面制备TiZrNbHfTa高熵合金涂层；
[0015]c、采用双层辉光等离子法在TiZrNbHfTa高熵合金涂层的表面制备(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层。保证涂层与基体金属的结合效果，提高了钛合金应用在医用外科领域的摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。
[0016]进一步地，步骤a中，预处理的工艺参数为：脉宽2～3μs，脉冲频率0.1～0.2Hz，电子束加速电压21～27kV，照射次数10～15次，照射距离60～120mm。电子束表面改性技术利用短时间汇聚高能量密度电子，以束流方式对材料表面进行照射，使被照射材料表面出现快速的熔凝过程。采用电子束进行试样表面处理清洁试样表面，同时也增加试样的表面积和显微缺陷，进一步增加元素的渗入效率并增加涂层的结合效果。高能量电子束的冲击下细化了钛合金表面晶粒并形成了大量的表面缺陷，为合金元素向基体内部扩散提供了大量的通道，进而增加了合金元素在基体表面的溶解度。基体合金表面经电子束照射处理后产生的熔坑形貌，可以增加涂层与基体的接触面积从而增加其的结合力。
[0017]进一步地，步骤b中，双层辉光等离子法包括以下步骤：
[0018](b1)将钛合金和TiZrNbHfTa合金靶材预处理后，以钛合金为工件极，TiZrNbHfTa合金靶材为源极；
[0019](b2)将腔室真空度抽至0.2Pa以下，通入氩气洗气后，将气压维持在36～38Pa；
[0020](b3)保持辉光稳定，将源极电压升压至700～800V，对TiZrNbHfTa合金靶材表面进
行双层辉光等离子清洗20～30min；
[0021](b4)将源极电压和工件极电压同时升至预定电压，在钛合金表面制备TiZrNbHfT本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种梯度陶瓷化高熵合金涂层，设置在钛合金(1)表面，其特征在于：所述钛合金(1)表面依次设置TiZrNbHfTa高熵合金涂层(2)和(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层(3)，0＜x≤0.5，所述TiZrNbHfTa高熵合金涂层(2)包括TiZrNbHfTa过渡层(21)、TiZrNbHfTa沉积层(22)，所述TiZrNbHfTa过渡层(21)与钛合金(1)相连，所述TiZrNbHfTa沉积层(22)分别与TiZrNbHfTa过渡层(21)、(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层(3)相连。2.根据权利要求1所述的一种梯度陶瓷化高熵合金涂层，其特征在于：所述TiZrNbHfTa过渡层(21)的厚度为5～7μm，所述TiZrNbHfTa沉积层(22)的厚度为3～5μm，所述(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层(3)的厚度为8～10μm。3.根据权利要求1所述的一种梯度陶瓷化高熵合金涂层，其特征在于：所述TiZrNbHfTa高熵合金涂层(2)包含以下质量百分数的物质：Ti 8％～10％，Zr 16％～18％，Nb 16％～18％，Hf 28％～30％，余量为Ta。4.根据权利要求1～3任一所述的一种梯度陶瓷化高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)利用强流脉冲电子束对钛合金(1)表面进行表面预处理；(b)采用双层辉光等离子法在钛合金(1)表面制备TiZrNbHfTa高熵合金涂层(2)；(c)采用双层辉光等离子法在TiZrNbHfTa高熵合金涂层(2)的表面制备(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金碳化物涂层(3)。5.根据权利要求4所述的一种梯度陶瓷化高熵合金涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(a)中，预处理的工艺参数为：脉宽2～3μs，脉冲频率0.1～0.2Hz，电子束加速电压21～27kV，照射次数1...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏东博，胡玉锦，张平则，李民锋，李逢昆，党博，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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