[发明专利]采用高通量技术制备梯度Nb-Si基合金薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种采用高通量技术制备梯度Nb‑Si基合金薄膜的方法，包括如下步骤：(1)制备Nb‑16Si‑6Cr‑24Ti‑6Al基体；(2)制备Cr靶材；(3)制备xNb‑ySi‑zTi‑kAl合金靶材，其中，x＝55～65，y＝14～19，z＝18～25，k＝1～4，数值均为原子百分比；(4)将步骤(1)中的Nb‑16Si‑6Cr‑24Ti‑6Al基体安装在磁控溅射设备的夹具上，将步骤(2)中的Cr靶材放置在普通直流靶上，将步骤(3)中的xNb‑ySi‑zTi‑kAl合金靶材放置在射频靶上，利用磁控溅射技术，制备梯度Nb‑Si基合金薄膜。本方法便于大批量的对不同元素比例的Nb‑Si基合金进行性能测试，快速的选取出最优的元素成分比例，提高工作效率。

技术领域

本申请涉及梯度合金薄膜制备领域，更特别地涉及一种采用高通量技术制备梯度Nb-Si基合金薄膜的方法和利用该方法制备的梯度Nb-Si基合金薄膜及其应用。

背景技术

随着航空发动机性能的不断提高，发动机叶片将会承受越来越高的工作温度，例如高推动比的发动机要求叶片的耐温能力达到1200～1400℃。目前最先进的Ni基高温合金能够承受的最高温度为1150℃，不能满足高推动比发动机叶片的使用要求，因此，研发能够承受更高温度的高温合金势在必行。

金属Nb具有优良的室温塑韧性，Nb与Si形成的Nb₅Si₃相具有熔点(Tm＝2620℃)高，密度(7.16g/cm³)低的特点，Nb-Si合金有望先成为下一代先进燃气涡轮发动机叶片材料。但是由于纯金属Nb在600℃左右会发生氧化，因此Nb-Si基超高温合金的高温抗氧化性很差，使得它在高温环境中的使用受到限制。为了提高Nb-Si基高温合金的高温抗氧化性能，同时保证其良好的高低温力学性能，可在Nb-Si二元合金中加入一定量的Cr,Ti,Al等元素。然而，添加适量的Ti元素虽然可提高Nb-Si基合金的断裂韧性，但随着Ti含量的增加，合金熔点降低；加入一定数量的Cr与Nb形成的NbCr₂虽然可以提高合金的抗氧化性能，但大量添加会降低合金的断裂韧性；加入一定量的Al虽然在高温下可以形成保护性氧化膜，能够阻止内部合金的进一步氧化从而达到抗氧化的目的，但大量添加会降低合金的塑性。如何确定合适的元素添加量使Nb-Si基合金的耐氧化性能以及力学性能呈现最优水平，成为目前的研究重点。

现阶段用于性能测试的Nb-Si基合金试样是通过电弧熔炼制备。通过改变元素(Nb,Si,Cr,Ti,Al)的添加比例，制备出不同成分的Nb-Si基合金，然后依次对这些合金进行性能测试，选取出最优性能对应的元素成分比例，这种方法需要制备大量的试样，工作量大并且效率低。因此，急需研发一种新的制备Nb-Si基合金的工艺，便于大批量的对不同元素比例的Nb-Si基合金进行性能测试，快速的选取出最优的元素成分比例，提高工作效率。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出了一种采用高通量技术制备梯度Nb-Si基合金薄膜的方法，通过磁控溅射技术，采用Cr靶材和Nb-16Si-22Ti-2Al(at.％)靶材在Nb-16Si-6Cr-24Ti-6Al(at.％)基体上制备Nb、Cr的含量呈梯度变化的Nb-Si基合金薄膜。

根据本发明的一方面，提供了一种采用高通量技术制备梯度Nb-Si基合金薄膜的方法，包括如下步骤：

(1)以Nb、Si、Ti、Cr、Al为合成原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术，制备Nb-16Si-6Cr-24Ti-6Al基体；

(2)以Cr为原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术制备Cr靶材；

(3)以Nb、Si、Ti、Al为合成原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术制备xNb-ySi-zTi-kAl合金靶材，其中，x＝55～65,y＝14～19,z＝18～25,k＝1～4,相关数值均为原子百分比；