一种硬质耐磨损抗氧化高熵合金涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属或合金表面处理领域，具体涉及一种硬质耐磨损抗氧化高熵合金涂层及其制备方法。所述高熵合金涂层的材质为(AlCrTiVZr)

【技术实现步骤摘要】
一种硬质耐磨损抗氧化高熵合金涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属或合金表面处理领域，具体涉及一种硬质耐磨损抗氧化高熵合金涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]在实际工业生产及应用过程中，一些刀具、模具及机械零部件在高速、高温、干摩擦、冲击、重载等恶劣条件下难以长时间服役，往往会因其表面磨损、腐蚀及高温氧化等因素而产生失效，防止产生这类失效的一个重要而有效的方法就是涂层技术。传统的通过电镀、化学镀等技术所制备的涂层，如铬系涂层、钛系涂层虽然能解决工具零部件表面磨损、腐蚀等部分问题，但因这几类涂层的脆性大、抗氧化性能差，在工具零部件服役过程中容易开裂脱落，且制备成本高、制备过程中对环境污染严重，已无法满足现代工业生产及应用的需求。因此，涂层新工艺和新技术的改进与研发已成为金属及合金表面防护涂层领域的重要任务及难点。
[0003]近几十年来，磁控溅射技术飞速发展，因其制备的涂层性能优异、工艺简便、无环境污染等优点，俨然成为一种主流的防护涂层制备技术。为了解决传统电镀、化学镀涂层存在的脆性大、抗氧化性能差等问题，近几十年来采用磁控溅射技术制备了TiN、CrN等二元涂层体系以及TiAlN、TiCrN等多元涂层体系，这些涂层体系具有高硬度、良好的耐磨损性能和抗氧化性能，能够有效地降低工具零部件表面受到的损伤，提高它们的服役寿命，但这些涂层体系依然存在以下缺点，导致它们无法广泛的应用于金属及合金的表面防护领域。
[0004](1)这些涂层体系的成分元素与基体的成分元素有较大差异，使得它们之间存在着较大的热膨胀系数差异，在高温下涂层与基体的膨胀程度有很大不同，涂层内部会产生较大的内应力，使得涂层容易开裂脱落；
[0005](2)这些涂层体系，如TiN、CrN等，虽然它们的硬度极高，耐磨性良好，但它们在1000℃以上的高温条件下的强度不足、结构不稳定，使得它们在抗高温氧化、耐烧蚀冲击方面存在着很大的不足。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种用于金属及合金表面的硬质耐磨损、抗氧化高熵合金涂层及其制备方法，本专利技术提供的硬质耐磨损、抗氧化高熵合金涂层具有高硬度、高界面结合强度、优异的耐磨损及抗高温氧化等性能。
[0007]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种硬质耐磨损抗氧化高熵合金涂层，所述高熵合金涂层的材质为(AlCrTiVZr)
100
‑
X
N
X
，高熵合金涂层具有柱状晶结构，涂附在待防护产品的表面。
[0008]进一步的，所述待防护产品的材质为钢或合金钢。
[0009]进一步的，高熵合金涂层的厚度为0.5um～10um。
[0010]上述的涂层的制备方法，以AlCrTiVZr靶材为溅射源，以高纯氮气作为反应气体，
通过反应磁控溅射的方式制备。
[0011]方法具体包括如下步骤：
[0012]步骤(1)：对待防护产品表面进行预处理；
[0013]步骤(2)：将产品置于磁控溅射设备的溅射室中，抽真空，溅射室中内设有磁控溅射AlCrTiVZr高熵合金靶；
[0014]步骤(3)：将待防护产品用磁控溅射高熵合金靶处理，同时通入高纯氮气作为反应气体，得到表面沉积有(AlCrTiVZr)
100
‑
X
N
X
涂层的产品。
[0015]进一步的，步骤(1)中的预处理具体为：砂纸上进行粗磨、精磨和细磨，再进行抛光，然后用酒精对抛光后的钢片进行超声清洗。
[0016]进一步的，步骤(2)中的抽真空具体为：对溅射室抽高真空，使溅射室的本底压力达到3
×
10
‑
5～1
×
10
‑
3Pa；抽真空时开启溅射室内部的烘烤灯对溅射室进行烘烤，优选的，烘烤的温度为100℃～150℃，烘烤的时间为30
±
5min。
[0017]进一步的，步骤(3)之前进行预溅射，预溅射具体为：通入高纯氩气进行预溅射、清洗AlCrTiVZr靶材表面；优选的高纯氩气的体积流量为20
±
3sccm；进行预溅射时，所述预溅射的时间为10
±
2min。
[0018]进一步的，步骤(3)具体为：溅射室的工作压力为2
×
10
‑1～6
×
10
‑1Pa，通入高纯氩气和高纯氮气并设置磁控溅射高熵合金靶的功率，高纯氩气的体积流量为20
±
2sccm，高纯氮气的体积流量为2～50sccm；溅射功率为50W～500W，溅射时间为0.5h～10h。
[0019]进一步的，AlCrTiVZr高熵合金靶采用粉末冶金工艺制备，AlCrTiVZr高熵合金靶的纯度>99.6％。
[0020]本专利技术提供的技术方案与现有技术相比，具有如下优点：
[0021]本专利技术主要通过对高熵合金靶的成分进行设计，确定高熵合金靶的成分为AlCrTiVZr，采用磁控溅射制备技术，通过调控反应气体高纯氮气的体积流量和溅射功率，从而调控硬质耐磨损、抗氧化的(AlCrTiVZr)100
‑
XNX涂层的成分与厚度，使制备的硬质耐磨损、抗氧化的(AlCrTiVZr)100
‑
XNX涂层不仅与钢片之间具有较强结合力，而且具有高硬度、高界面结合强度、优异的耐磨损及抗高温氧化等性能，所述对高熵合金靶的成分进行设计的依据包括以下方面：
[0022](1)Cr、Ti、V、Zr四种元素是难熔金属元素，具有高熔点，良好的高温强度，对熔融碱金属和蒸气有良好的耐蚀性能，而Al元素的添加能弥补它们高温抗氧化性能差，使制备的(AlCrTiVZr)100
‑
XNX涂层在高温下具有良好的强度、抗高温氧化性能和耐蚀性能；
[0023](2)Al、Cr、Ti、V、Zr均是氮化形成元素，能与氮原子形成强的Me
‑
N键，这种键的形成能够增加涂层的晶格畸变程度，从而提高(AlCrTiVZr)100
‑
XNX涂层的硬度、弹性模量以及耐磨性能；
[0024](3)基体的化学成分中含有Cr、V等元素，AlCrTiVZr体系与基体的化学成分相近，使制备的(AlCrTiVZr)100
‑
XNX涂层的热膨胀系数与基体的热膨胀系数相近，提高(AlCrTiVZr)100
‑
XNX涂层与基体之间的界面结合强度。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例3中制得的硬质耐磨损、抗氧化的(AlCrTiVZr)100
‑
XNX涂层与
钢片的硬度对比图。
[0026]图2是本专利技术实施例3中制得的硬质耐磨损、抗氧化的(AlCrTiVZr)100
‑
XNX涂层与钢片的载荷
‑
深度曲线对比图。
[0027]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硬质耐磨损抗氧化高熵合金涂层，其特征在于，所述高熵合金涂层的材质为(AlCrTiVZr)
100
‑
X
N
X
，高熵合金涂层具有柱状晶结构，涂附在待防护产品的表面。2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述待防护产品的材质为钢或合金钢。3.根据权利要求2所述的涂层，其特征在于，高熵合金涂层的厚度为0.5um～10um。4.权利要求1
‑
3任一项所述的涂层的制备方法，其特征在于，以AlCrTiVZr靶材为溅射源，以高纯氮气作为反应气体，通过反应磁控溅射的方式制备。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤(1)：对待防护产品表面进行预处理；步骤(2)：将产品置于磁控溅射设备的溅射室中，抽真空，溅射室中内设有磁控溅射AlCrTiVZr高熵合金靶；步骤(3)：将待防护产品用磁控溅射高熵合金靶处理，同时通入高纯氮气作为反应气体，得到表面沉积有(AlCrTiVZr)
100
‑
X
N
X
涂层的产品。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的预处理具体为：砂纸上进行粗磨、精磨和细磨，再进行抛光，然后用酒精对抛光后的钢片进行超声清洗。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯涛，邹吕禹，王军杰，周子涵，莫沛文，张滋忱，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：