[发明专利]一种纳米双相高熵合金薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米双相高熵合金薄膜的制备方法，该制备方法包括基材前处理及高功率脉冲磁控溅射沉积两个步骤。采用高功率脉冲磁控溅射技术，以包括金属Cu在内的五种金属元素的拼接靶为靶材，以高纯Ar为工作气体，对前处理后的基体施加负偏压，对拼接靶施加靶电压，在基体表面沉积得到包含FCC基体相和富铜BCC纳米相的纳米双相高熵合金薄膜。该薄膜既体现了高熵合金薄膜高的固溶强化的特点，同时通过富铜相的析出引入大量相界面，使其具有界面强化机制。其硬度最高达13GPa，并且由于具有优异的韧性，对在高承载、高摩擦环境下作业的基体能起到良好的防护作用，具有很好的应用价值。

技术领域

本发明涉及高熵合金材料领域，尤其是一种CuNiTiNbCr纳米双相高熵合金薄膜的制备方法。

背景技术

高熵合金薄膜作为高熵合金的一个分支，其概念与高熵合金相似，即包含五种及以上元素，且每种元素的原子百分比范围为5～35％。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性能，是一种新型的硬质薄膜。这些优异的性能使其在海水腐蚀、耐高温磨损以及事故容错燃料包壳薄膜等领域中具有广泛应用前景。目前，高熵合金薄膜的制备方法主要有磁控溅射、多弧离子镀、热喷涂、激光熔覆等。

磁控溅射制备的高熵合金薄膜由于其致密的结构，与基体良好的结合以及高的硬度具有实际应用潜力。例如，蒋建中等的发明专利201410082293.2采用磁控溅射制备了两种单相高熵合金薄膜，NiCrCoCuFe五元高熵合金薄膜为单相FCC结构，而NiCrCoCuFeAl_4.5六元高熵合金薄膜为单相BCC结构；王泽等的发明专利201910429868.6采用磁控溅射的方法，制备了CoCrFeMnNi高熵合金薄膜，其XRD结果显示薄膜为单相结构；宋忠孝等的发明专利201810556405.1采用磁控溅射制备了TiNbHfZr四元难熔高熵合金薄膜，其结构为单相BCC结构与少量HCP结构，由于HCP相含量较少，其强化机制主要为固溶强化。对于高熵合金体相材料而言，单相FCC高熵合金具有较高的韧性，但是其硬度较低；而单相BCC高熵合金硬度较高，但是其韧性不足。因此，合成FCC和BCC共存的双相高熵合金可以兼具高硬度和高韧性的优点，是实现高熵合金强韧一体化的重要途径。然而，由于高熵合金薄膜本身的高熵效应以及磁控溅射制备过程中的快速冷却过程，使得薄膜中的元素难以通过扩散分离而得到双相结构。Y.P.Cai等采用两步法制备了双相高熵合金薄膜，先采用磁控溅射制备了CoCrCuFeNi/Al多层薄膜，然后在500℃退火1小时，最终得到FCC+BCC双相高熵合金薄膜，其硬度最高达10.4GPa，然而这种两步法工艺繁琐，成本较高，并且退火步骤会增加能耗。黄平等的发明专利CN202011487504.2通过射频磁控溅射制备了非晶包裹FCC纳米晶的双相CrMnFeCoNi高熵合金薄膜，其硬度最高为9GPa,这种双相结构本质上是化学组分均匀分布的，薄膜硬度仍然不足。现有技术中通过磁控溅射一步法制备得到因元素扩散析出而形成的双相高熵合金薄膜仍然面临很大挑战。

发明内容

本发明的目的是针对现有合成FCC和BCC共存的双相高熵合金薄膜的方法存在的上述问题，提供一种CuNiTiNbCr纳米双相高熵合金薄膜的制备方法，该方法不仅工艺步骤简单，而且制备的薄膜硬度、韧性都进一步提升。

从混合焓角度来说，当一种元素与薄膜中其他元素的混合焓越正，这种元素容易通过扩散产生偏析，所以从成分设计上要参考混合焓值。Cu与Ni、Nb、Cr、Ti、Fe、Co、Mn、V、Al等元素的混合焓偏正，并且明显高于其它元素如Ni、Nb、Cr、Ti等两两之间的混合焓。因此，选择上述几种元素有望实现Cu的偏析。本发明基于这种特殊组元设计，利用Cu的扩散偏析而形成BCC纳米第二相，实现薄膜力学性能的提升。