一种耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层及制备方法技术

技术编号：40068402 阅读：4 留言：0更新日期：2024-01-16 23:47

一种耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶陶瓷涂层及制备方法，其特征在于该梯度碳氮高熵陶瓷涂层C元素和N元素在涂层生长方向呈现梯度分布，抑制柱状晶的生长，抑制腐蚀离子在柱状晶晶间扩散，显著提升涂层的耐腐蚀性能。所得的梯度碳氮的高熵陶瓷涂层，晶体结构为面心立方结构，硬度高于30GPa，人工海水环境中涂层的电荷转移电阻高于3×10<supgt;6</supgt;Ωcm<supgt;2</supgt;，腐蚀电流密度低于1×10<supgt;‑8</supgt;A/cm<supgt;2</supgt;。发明专利技术提供的耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层在核电设施、加工工具、航天航空装备、海洋装备或医疗器械等领域耐磨、耐蚀、耐高温表面功能涂层中的应用。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料表面涂层，尤其涉及一种耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层及其制备与应用。

技术介绍

1、近年来，high entropy alloy(hea)作为一种备受关注的新兴涂层材料，具有广泛的研究应用。hea是一种由五种或五种以上元素组成的均匀分布的置换固溶体合金，每种元素的含量在5％～35％之间。由于hea中含有多种元素，这些元素的不同原子半径、电负性和晶体结构差异，导致在晶格中产生畸变。高度混合熵的特性使得hea能够形成简单的面心立方(fcc)、体心立方(bcc)和六方密排(hcp)等固溶体结构，有效避免金属间相的形成。高混合熵、晶格畸变以及固溶强化等因素的协同作用下，hea表现出高硬度、优异的耐磨性、良好的腐蚀性能和热稳定性。因此相较于传统合金，hea的研究在各个领域持续增多。为了进一步提升hea的耐磨性和抗腐蚀性能，研究人员广泛开展了high entropy ceramic(hec)涂层的研究。这些hec涂层包含非金属元素，例如碳(c)、硼(b)、氮(n)等，具备出色的机械性能和抗腐蚀性能。由于c、b、n等原子的尺寸相对较小，hec中的非金属原子能够引起固溶强化效应，从而改善涂层的力学性能。研究结果表明，随着氮气流量的增加，涂层的晶体结构从体心立方(bcc)转变为面心立方(fcc)，使得涂层的最大硬度显著提升，并表现出卓越的耐腐蚀性。因此，hea和hec涂层的研究为开发高性能涂层和应对严酷工作环境提供了新的途径。进一步的研究和应用将对hea和hec涂层在工程和工业领域的发展带来更多机遇。

2、physic

技术实现思路

1、本专利技术的目的是针对现有的high entropy alloy(hea)涂层的耐磨性和抗腐蚀性能不高的问题，专利技术一种耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层，同时提供相应的制备方法。

2、本专利技术技术方案之一是：

3、一种耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层，其特征在于，所述梯度碳氮高熵陶瓷涂层由过渡族金属元素、碳元素和氮元素组成，所述过渡族金属元素由ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、ta和w中任意五种元素组成，涂层厚度方向上c元素和n元素成分呈现梯度分布，其中过渡金属元素在梯度碳氮高熵陶瓷基体中的摩尔分数为5-15％，所述碳元素的摩尔分数在梯度碳氮高熵陶瓷涂层基体中沿着涂层生长方向由0％线性增长至50％，所述氮元素的摩尔分数在梯度碳氮高熵陶瓷涂层中沿着涂层生长方向由100％线性减少至50％。

4、ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、ta和w中任意五种元素的质量含量在5％～35％之间，各组分之和为100％。

5、本专利技术的技术方案之二是：

6、一种耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

7、步骤一：将基体放置在真空腔体内，通入高纯氩气控制真空腔气压为0.33～0.8pa，控制脉冲偏压为-800～-600v，采用阳极源离化氩气产生氩离子在高偏压作用下对基底表面进行活化清洗；

8、步骤二：在基体表面沉积厚度为200～500nm的cr过渡层，过渡层磁控溅射气源为氩气，磁控溅射室气压为0.4～0.8pa；磁控溅射的阴极靶材为cr单质的金属靶材；

9、步骤三：在过渡层表面进行脉冲直流反应磁控溅射，脉冲直流反应磁控溅射气源为氩气、甲烷和氮气，反应磁控溅射室工作气压为0.4～0.8pa；脉冲直流反应磁控溅射的阴极靶材为ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、ta和w中任意五种元素的单质金属靶材；样品上施加的偏压为-150～-70v；沉积温度为350～450℃；磁控溅射过程中，n2流量从陶瓷层沉积过程开始到结束的时间里，线性减少一半，ch4流量从零线性增加到与n2流量相同，以此实现c元素和n元素在涂层生长方向呈现梯度分布，抑制柱状晶的生长，抑制腐蚀离子在柱状晶晶间扩散，显著提升涂层的耐腐蚀性能。

10、所述梯度碳氮的高熵陶瓷涂层的晶体结构为面心立方结构，硬度高于30gpa，人工海水环境中涂层的电荷转移电阻高于3×106ωcm2，腐蚀电流密度低于1×10-8a/cm2。

11、本专利技术的有益效果是：

12、本专利技术梯度碳氮的高熵陶瓷涂层，晶体结构为面心立方结构，硬度高于30gpa，人工海水环境中涂层的电荷转移电阻高于3×106ωcm2，腐蚀电流密度低于1×10-8a/cm2。

13、本专利技术可广泛应用于核电设施、加工工具、航天航空装备、海洋装备或医疗器械等领域耐磨、耐蚀、耐高温表面功能涂层中。

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【技术保护点】

1.一种耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层，其特征在于，所述梯度碳氮高熵陶瓷涂层由过渡族金属元素、碳元素和氮元素组成，所述过渡族金属元素由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中任意五种元素组成，涂层厚度方向上C元素和N元素成分呈现梯度分布，其中过渡金属元素在梯度碳氮高熵陶瓷基体中的摩尔分数为5-15％，所述碳元素的摩尔分数在梯度碳氮高熵陶瓷涂层基体中沿着涂层生长方向由0％线性增长至50％，所述氮元素的摩尔分数在梯度碳氮高熵陶瓷涂层中沿着涂层生长方向由100％线性减少至50％。

2.一种权利要求1所述的耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述梯度碳氮的高熵陶瓷涂层，晶体结构为面心立方结构，硬度高于30GPa，人工海水环境中涂层的电荷转移电阻高于3×106Ωcm2，腐蚀电流密度低于1×10-8A/cm2。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的涂层在核电设施、加工工具、航天航空装备、海洋装备或医疗器械等领域耐磨、耐蚀、耐高温表面功能涂层中的应用。p>...

【技术特征摘要】

1.一种耐磨蚀的梯度碳氮高熵陶瓷涂层，其特征在于，所述梯度碳氮高熵陶瓷涂层由过渡族金属元素、碳元素和氮元素组成，所述过渡族金属元素由ti、v、cr、zr、nb、mo、hf、ta和w中任意五种元素组成，涂层厚度方向上c元素和n元素成分呈现梯度分布，其中过渡金属元素在梯度碳氮高熵陶瓷基体中的摩尔分数为5-15％，所述碳元素的摩尔分数在梯度碳氮高熵陶瓷涂层基体中沿着涂层生长方向由0％线性增长至50％，所述氮元素的摩尔分数在梯度碳氮高熵陶瓷涂层中沿着涂层生长方向由100％线性减少至50％。

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【专利技术属性】
技术研发人员：易思广，卢文壮，杜星祝，吴超逸，金坚，徐洛，孙玉利，左敦稳，
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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