[发明专利]一种高硬度MAX相陶瓷涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高硬度的MAX相陶瓷涂层，所述涂层的成分组成为V_xAl_yC_1‑x‑y，x＝0.52～0.54，y＝0.23～0.24，其中x，y为原子比率；所述涂层为结晶态，呈V型柱状晶生长结构，涂层为六方晶体结构；所述涂层利用X射线衍射在2θ＝10～90°范围内测试，只在35.55°处出现MAX相(100)衍射峰，在63.85°处出现MAX相(110)衍射峰。该MAX相陶瓷涂层采用磁控溅射法并辅助射频叠加中频的电源施加方式，在非晶基体上非外延生长得到，得到的V_xAl_yC_1‑x‑y涂层硬度高达20～25Gpa，大大提高了涂层的硬度，增强了其防护性能。

技术领域

本发明属于金属陶瓷涂层领域，具体涉及一种高硬度MAX相陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

MAX是M_n+1AX_n的缩写(n＝1～3，根据值的不同，可以将MAX相分为211、312、413相等)，其中M代表一类早期过渡金属元素，例如Ti，V，Cr，Zr，Nb，Mo，Sc，Hf和Ta等；A代表第三或第四主族元素，例如Al，Si，P，S，Ga，Ge，As，In，Sn，Ti和Pb等；X是C或N。

MAX相作为一种三元层状结构材料，兼具了金属和陶瓷的一些优良性能。如继承了金属材料优良的导热性、导电性、抗热震性、损伤容限和较好的可机械加工性；继承了陶瓷材料弹性模量高、耐高温、抗氧化和耐腐蚀性能等优点。诸多优良的性能使得该材料在高温、氧化或者腐蚀等众多苛刻环境下都有着良好的应用前景。特别是在核应用方面，MAX相材料作为耐辐照防护涂层、核燃料包壳材料等与钒合金及SiC_f/SiC复合材料等较成熟的核电结构材料结合使用，可大幅度提高核电结构材料的服役寿命与事故容错能力，让核电变得更加安全可靠。

物理气相沉积(PVD)制备MAX相涂层技术是目前常用的技术，但在制备高质量MAX相涂层方面存在着困难。原因在于：PVD的过程往往极端远离热力学平衡态，沉积原子的冷却速度极快，因此通常导致难以形成晶体学上较为有序的结构；而对于晶体结构复杂、中间竞争相众多的MAX相而言，PVD制备技术的困难则为更大，目前都是采用高温外延或沉积后高温退火技术制备MAX相涂层。单利用PVD非外延一步法制备的MAX相涂层存在杂质相多、性能效果差，尤其是制备出的涂层硬度低、力学性能差等众多不足。

前期研究，我们克服了上述MAX相涂层需要高温外延制备的技术不足(参见CN106567049A)，该发明公开了一种MAX相陶瓷涂层，在不需高温(＜600℃)制备的情况下仍能获得高纯度(99.9％)结晶态的MAX相，并且对基体的依赖性低、不需外延生长。

但该技术制备的涂层硬度低，硬度值只有13～16GPa，表现在相应的涂层织构不明显，衍射峰较多。

发明内容

本发明的目的是提供了一种高硬度的MAX相陶瓷涂层及其制备方法。所述MAX相陶瓷涂层不需高温(＜600℃)和外延生长，就可以获得较高硬度(＞20GPa)的MAX相陶瓷涂层。

本发明的目的通过以下技术方案实现的：

一种高硬度的MAX相陶瓷涂层，所述涂层的成分组成为V_xAl_yC_1-x-y，x＝0.52～0.54，y＝0.23～0.24，其中x，y为原子比率；

所述涂层为结晶态，呈V型柱状晶生长结构，涂层为六方晶体结构；

所述涂层利用X射线衍射(XRD)在2θ＝10～90°范围内测试，只在35.55°处出现MAX相(100)衍射峰，在63.85°处出现MAX相(110)衍射峰。