一种三相纳米复合高熵薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及薄膜材料技术领域，公开了一种三相纳米复合高熵薄膜及其制备方法和应用，所述的制备方法包括基材前处理及双靶磁控溅射共沉积两个步骤，所制备的薄膜为非晶高熵合金基体相/碳化物陶瓷相/非晶碳相的复合结构，该薄膜中高熵合金基体相的存在使其具有优异的韧性，纳米晶陶瓷相使其具有优异的强度，非晶碳相则提供优异的自润滑能力，在摩擦过程中的固体润滑机制主要为氧化物与非晶碳混合的界面润滑膜提供减摩性能，本发明专利技术公开的三相纳米复合薄膜具有优异的强韧性与自润滑性能；特别适合用于在极端工况下作业的机械零部件的防护。护。护。

【技术实现步骤摘要】
一种三相纳米复合高熵薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及薄膜材料
，具体公开了一种具有自润滑性能的高熵合金/碳化物/非晶碳三相的纳米复合结构高熵薄膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着空天、极地、深海等探测技术的发展，机械系统需要在高载荷、宽温域、强辐照等极端环境严苛工况下运行，由于在这种极端环境严苛工况下润滑油无法有效发挥作用，关键零部件极易产生摩擦损耗及失效。目前广泛应用的TiN、CrN等传统硬质防护薄膜虽然可以在一定程度上提高表面改性零部件的寿命，但是它们自身韧性较差，且由于其与合金基体的热膨胀系数不匹配，导致薄膜内部产生较大的应力，与基体的结合强度低，在极端环境中应用时极易发生失效。因此，开发应用在极端环境严苛工况下的强韧一体化耐磨减摩自润滑薄膜成为亟需解决的关键问题。
[0003]高熵合金薄膜具有高硬度、高韧性、耐化学腐蚀、耐磨损以及抗辐照等优良的综合性能，是一种新型的表面防护薄膜。在极端工况下精密机械部件的表面防护领域具有广阔的应用前景。但是现有高熵合金薄膜大部分为单相立方结构或非晶结构，其硬度和耐磨损性能仍然低于TiN、CrN等传统的硬质薄膜，无法满足高频、高载等较严苛的磨损工况下对薄膜材料强韧化及耐磨损性能的要求。
[0004]通过碳化物或非晶第二相的引入可以显著提升高熵合金薄膜的强度。卢金斌等的专利技术专利（申请号：CN201810008864.6）研制了一种等离子合金化碳化物增强高熵合金涂层的方法，在铝合金表面采用等离子束Ar保护下加热合金化一定比例的FeCrBSi、NiCrBSi、TiH2组成的混合粉末形成CrC增强的高熵合金涂层；魏东博等的专利技术专利（申请号：CN202110923688.0）制备了一种梯度陶瓷化高熵合金涂层，通过在钛合金表面依次设置TiZrNbHfTa高熵合金涂层和(TiZrNbHfTa)Cx高熵合金涂层（0＜x≤0.5）实现了高熵涂层强韧性的提高；王智慧等人的专利技术专利（申请号：CN201310167409.8）采用等离子喷焊技术制备了一种NbC增强的CoCrFeNiMn高熵合金涂层，其硬度得到显著提高。李延涛（本课题组）等人采用高功率密度脉冲磁控溅射制备了(CuNiTiNbCr)Cx薄膜，结构为非晶合金基体相与（TiNbCr）C陶瓷相的复合结构，其硬度最高达到21GPa，磨损率为2.9
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10
‑6mm3/N
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m（高功率脉冲磁控溅射制备纳米复合高熵碳化物(CuNiTiNbCr)Cx薄膜[J],中国表面工程,2022,35(5):217
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227），此研究中薄膜内没有生成非晶碳相，没有实现薄膜的固体润滑性能。尽管上述专利与研究中通过碳化物陶瓷相的引入实现了高熵涂层硬度的提升，但是其摩擦系数仍然较高，无法满足对润滑有较高需求的工况。周野飞等的专利技术专利（申请号：CN202210199226.3）采用磁控溅射技术制备了一种CoCrFeNi高熵合金掺杂的非晶碳薄膜及其制备方法，通过将CoCrFeNi合金相引入非晶碳基体中实现了非晶碳薄膜的增强增韧，此结构以非晶碳相为主体，硬度仍然较低，且韧性不及金属薄膜。

技术实现思路

[0005]针对以上问题，本专利技术的目的是制备出一种含有高熵合金基体相+碳化物陶瓷相+非晶碳相的三相复合薄膜，其中高熵合金基体相保证良好的韧性，碳化物陶瓷相提供足够的硬度和承载性能，非晶碳提供减摩耐磨性能。
[0006]本专利技术采用以下的技术方案：一种三相纳米复合高熵薄膜，所述薄膜含有高熵合金基体相、碳化物陶瓷相与非晶碳相；所述高熵合金基体相包覆碳化物陶瓷相和非晶碳相，形成三相纳米复合结构；所述高熵合金基体相含有5种金属元素，包括2
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3种弱碳化物形成元素以及2
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3种强碳化物形成元素。
[0007]进一步的，所述弱碳化物形成元素选自Cu、Ni、Mn、Fe；所述强碳化物形成元素选自Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、Mo、Cr。
[0008]基于我们之前的研究，Cu、Ni、Mn、Fe等弱碳化物形成元素难以与C反应，会以金属态存在，而Ti、Zr、V、Nb、Ta等强碳化物元素，会与C反应形成碳化物陶瓷相，因此，高熵合金薄膜可选用两种（或三种）弱碳化物元素与三种（或两种）强碳化物元素组合而成。高熵合金中，每一种金属的含量为5~35%。
[0009]进一步的，所述薄膜中按质量百分比，碳含量为34～58%。
[0010]进一步的，上述三相纳米复合高熵薄膜的制备方法，包括以下步骤：1）对基体进行超声清洗后，采用等离子体辉光放电溅射处理；2）磁控溅射设备腔体中，Ar气条件下，通入乙炔或甲烷，以金属拼接靶为第一溅射靶材；以石墨靶为第二溅射靶材；对基体施加负偏压，对金属拼接靶与石墨靶施加靶电压，在乙炔或甲烷存在条件下对基体表面进行双靶共溅射沉积；所述金属拼接靶含有高熵合金基体相中的5种金属元素；待沉积结束后，真空环境下冷却即可在基体表面得到高熵合金/碳化物/非晶碳的三相纳米复合高熵薄膜。
[0011]上述技术方案中，由于非晶碳相的析出与碳源相关，本专利技术采用双碳源来实现碳化物陶瓷相与非晶碳相的原位析出，气体碳源乙炔（或甲烷）在镀膜过程中作为等离子体辉光放电的一部分气源容易被离化，变成碳离子，碳离子反应活性高，容易和高熵合金基体相中的易反应金属生成碳化物陶瓷相；而固体碳源石墨靶在镀膜过程中是被氩离子轰击溅射出来，不易被离化，以中性原子和原子团的形式沉积到薄膜中，不易和反应金属发生化合反应，以非晶碳（游离碳）的形式存在于薄膜中。
[0012]进一步的，金属拼接靶中五种金属与石墨靶中石墨的纯度均为99.8%以上。
[0013]进一步的，Ar与乙炔（或甲烷）纯度选用99.9%以上。
[0014]进一步的，步骤1）中等离子体辉光放电溅射处理包括以下步骤：将基体放入磁控溅射设备腔体中，腔体抽真空至1
×
10
‑
3 Pa～1
×
10
‑
4 Pa，腔体通入高纯Ar，调整腔体内气压至3～4Pa，对基体施加负偏压，在基体附近产生Ar等离子体，等离子体中的Ar
+
在基体负偏压下轰击基体进行偏压反溅射清洗。
[0015]进一步的，离子体辉光放电溅射处理中所述的腔体温度为0～350℃。
[0016]进一步的，离子体辉光放电溅射处理中的Ar流量为20～60sccm。
[0017]进一步的，离子体辉光放电溅射处理中的基体负偏压为
‑
1000～
‑
1500V。
[0018]进一步的，离子体辉光放电溅射处理中的处理时间为10～30min。
[0019]进一步的，步骤2）中，沉积之前腔体抽真空至1
×
10
‑3Pa～1
×
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‑4Pa；沉积过程中，Ar流量为10～90sccm，乙炔或甲烷流量为1~10sccm，腔体内气压保持本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三相纳米复合高熵薄膜，其特征在于，所述薄膜含有高熵合金基体相、碳化物陶瓷相与非晶碳相；所述高熵合金基体相包覆碳化物陶瓷相和非晶碳相，形成三相纳米复合结构；所述高熵合金基体相含有5种金属元素，包括2
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3种弱碳化物形成元素以及2
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3种强碳化物形成元素。2.根据权利要求1所述的一种三相纳米复合高熵薄膜，其特征在于，所述弱碳化物形成元素选自Cu、Ni、Mn、Fe；所述强碳化物形成元素选自Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、Mo、Cr。3.根据权利要求1所述的一种三相纳米复合高熵薄膜，其特征在于，所述薄膜中按质量百分比，碳含量为34~58%。4.如权利要求1
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3任一项所述的三相纳米复合高熵薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）对基体进行超声清洗后，采用等离子体辉光放电溅射处理；2）磁控溅射设备腔体中，Ar气条件下，通入乙炔或甲烷，以金属拼接靶为第一溅射靶材；以石墨靶为第二溅射靶材；对基体施加负偏压，对金属拼接靶与石墨靶施加靶电压，在乙炔或甲烷存在条件下对基体表面进行双靶共溅射沉积；所述金属拼接靶含有高熵合金基体相中的5种金属元素；待沉积结束后，真空环境下冷却即可在基体表面得到高熵合金/碳化物/非晶碳的三相纳米复合高熵薄膜。5.根据权利要求4所述的三相纳米复合高熵薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1）中等离子体辉光放电溅射处理包括以下步骤：将基体放入磁控溅射设...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜欣，李延涛，羊坤，冷永祥，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：