一种耐磨多主元合金氮化物薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐磨多主元合金氮化物薄膜，其特征在于：包括以氩气和氮气为离化气体在硅基底上直接镀覆一层(VCoNi)N

【技术实现步骤摘要】
一种耐磨多主元合金氮化物薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及耐磨合金氮化物薄膜
，具体为一种耐磨多主元合金氮化物薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]在工业生产、航空航天、汽车工业等领域，材料间的摩擦磨损行为会大幅降低零件的使用寿命，造成严重的经济损失。在工件表面镀覆保护性涂层以增加工件表面硬度或耐蚀性，或者在摩擦接触处添加润滑剂或润滑脂减小磨损都被视为一种可行的保护措施。但在极端苛刻的应用条件下，如高温高速、超低温、强辐射等工况下，普通的保护性涂层或润滑剂的添加难以满足需求，开发新型防护薄膜便成为了满足以上极端工况下的服役部件的潜在解决方案。
[0003]多主元合金氮化物作为一种多主元阳离子陶瓷，是由在高熵合金、中熵合金中加入硼、碳、氮、氧、硅、磷等非金属元素形成的。多主元阳离子陶瓷仍具有多主元合金所具备的高熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应。具有优异的力学性能、耐高温性、耐腐蚀性和耐磨性。同时相比高脆性的传统陶瓷材料具有更高的断裂韧性，在强机械力或强冲击下不易产生裂纹，从而具有更高的耐久性，应用范围更广泛。多主元合金氮化层具有优异的力学性能、耐腐蚀性，相比于TiN、CrN等常用的合金氮化层，能满足更复杂严苛的工作条件，近十年来被广泛研究，在光电、硬质刀具、芯片、航空、航天、船舶等领域受到广泛关注。
[0004]将V元素引入多主元体系中能增加材料的晶格畸变，被视为一种更能有效提高材料力学性能的元素。例如VCoNi作为面心立方相的中熵合金，具有很高的屈服强度，且研究表明VCoNi在宽温域内仍表现出优异的力学性能。此外，有研究指出V在高温下能形成Magn
é
li相，从而可以作为一种固体润滑剂减少高温下材料的摩擦磨损。向VCoNi中引入氮元素，一方面能使薄膜发挥多主元合金氮化物优异的力学性能、另一方面在高温下也可以发挥V元素的自润滑性能，在工业领域具有广泛应用以及商业化生产的前景。

技术实现思路

[0005]专利技术的目的在于提供一种耐磨多主元合金氮化物薄膜及其制备方法，可以实现上述
技术介绍
中提出的技术效果。
[0006]为实现上述目的，专利技术提供如下技术方案：一种耐磨多主元合金氮化物薄膜，包括以氩气和氮气为离化气体在硅基底上直接镀覆一层(VCoNi)N
x
薄膜；
[0007]所述(VCoNi)N
x
薄膜包含按照原子百分比含量计算的如下元素：
[0008]V 19～39％、Co 19～39％、Ni 19～39％、N 0～35％。
[0009]优选的，所述(VCoNi)N
x
薄膜由磁控溅射技术在基体表面沉积而获得的，且具有面心立方结构。
[0010]优选的，所述(VCoNi)N
x
薄膜的硬度高于8GPa；且厚度为500～3000nm。
[0011]优选的，所述(VCoNi)N
x
薄膜采用的靶材为VCoNi合金靶材，所述VCoNi合金靶材中V、Co、Ni的摩尔质量比为1：1：1，其纯度达99.9％以上。
[0012]优选的，所述氩气和氮气的气体总流量为47～53sccm。
[0013]优选的，所述基底为单面抛光的单晶硅片或抛光呈镜面的不锈钢片，其在使用前首先用丙酮超声清洗15～20min，然后用酒精超声清洗15～20min，再用纯水超声清洗15～20min，最后干燥硅片。
[0014]一种耐磨多主元合金氮化物薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
[0015]步骤一：将基体、VCoNi合金靶材置入真空的沉积环境中，将电源与VCoNi合金靶材连接，向沉积环境中通入离化气体；
[0016]步骤二：打开电源，以电源功率80～200W、基体偏压
‑
60～
‑
100V、基体转速2～4rpm、基体温度20～300℃、沉积速率6.39～6.67nm/min将VCoNi合金靶材沉积在基体上得到(VCoNi)N
x
合金氮化物薄膜，在沉积30～60min后，关闭电源冷却10～20min；
[0017]步骤三：重复步骤二，直至(VCoNi)N
x
薄膜达到所需厚度，制得耐磨多主元合金氮化物薄膜。
[0018]优选的，步骤一中所述沉积环境的本底真空度为8
×
10
‑5Pa，沉积时真空度为0.18～0.28Pa。
[0019]与现有技术相比，专利技术的有益效果是：
[0020]1、本专利技术提供的耐磨多主元合金氮化物由V、Co、Ni等耐腐蚀、硬质金属元素构成，除V外均为弱氮化物形成元素，采用磁控溅射技术制备而具有面心立方结构。
[0021]2、本专利技术提供了一种耐磨(VCoNi)N
x
薄膜的制备方法，相比原多主元合金VCoNi与合金氮化物VN薄膜，该(VCoNi)N
x
薄膜表现出更高的硬度以及优异的耐磨损性能，其硬度高于10GPa，且在薄膜氮含量为33％左右时磨损率低至3.99
×
10
‑6mm3/Nm；可以在高磨损环境中对基体进行良好保护。
[0022]3、本专利技术提供一种耐磨(VCoNi)N
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薄膜的制备方法制备出耐磨(VCoNi)N
x
薄膜，成本较低，易于在工业上实现与推广。
附图说明
[0023]图1为本专利技术制备所得样品1的XRD图像。
[0024]图2为本专利技术制备所得样品1和样品2的扫描电子显微镜截面照片：(a)氮气流量占比50％；(b)氮气流量占比100％。
[0025]图3为本专利技术制备样品1和样品2、VN薄膜、VCoNi薄膜的硬度图。
[0026]图4为本专利技术制备样品1和样品2、VCoNi薄膜在往复摩擦式载荷0.5N、频率3Hz的条件下摩擦20min后的磨损表面扫描电子显微镜照片；(a1)、(a2)为VCoNi薄膜；(b1)、(b2)为样品1；(c1)、(c2)为样品2。
[0027]图5为本专利技术制备样品1和2、VCoNi薄膜在往复摩擦式载荷0.5N、频率3Hz的条件下摩擦20min后的磨损率图。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完
整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人通过大量研究与实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对本技术方案、其实例过程及原理等作进一步说明。
[0030]作为本专利技术技术方案的一个方面，此耐磨多主元合金氮化物薄膜选用耐腐蚀性、力学性能良好的元素V、Co、Ni，其分子式为(VCoNi)N
x
，并且，所述耐磨多主元合金氮化物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐磨多主元合金氮化物薄膜，其特征在于：包括以氩气和氮气为离化气体在硅基底上直接镀覆一层(VCoNi)N
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薄膜；所述(VCoNi)N
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薄膜包含按照原子百分比含量计算的如下元素：V19～39％、Co19～39％、Ni19～39％、N0～35％。2.如权利要求1所述的一种耐磨多主元合金氮化物薄膜，其特征在于：所述(VCoNi)N
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薄膜由磁控溅射技术在基体表面沉积而获得，且具有面心立方结构。3.如权利要求1所述的一种耐磨多主元合金氮化物薄膜，其特征在于：所述(VCoNi)N
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薄膜的硬度高于10GPa；且厚度控制为500～3000nm。4.如权利要求1所述的一种耐磨多主元合金氮化物薄膜，其特征在于：制备所述(VCoNi)N
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薄膜采用的靶材为VCoNi合金靶材，所述VCoNi合金靶材中V、Co、Ni的原子含量比为1：1：1，其纯度达99.9％以上。5.如权利要求1所述的一种耐磨多主元合金氮化物薄膜，其特征在于：所述氩气和氮气的气体总流量为47～53sccm。6.如权利要求1所述的一种耐磨多主元合金氮化物薄膜，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周青，李旗抗，黄卓斌，钱旦，尹存宏，王海丰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：