[发明专利]一种含W低活化高熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种一种含W低活化高熵合金薄膜及其制备方法。其特征在于利用共溅射和交替溅射沉积(TiVCr)subgt;100‑x/subgt;Wsubgt;x/subgt;高熵合金和单相W层，形成具有不同单层厚度(TiVCr)subgt;100‑x/subgt;Wsubgt;x/subgt;/W纳米多层结构，其中(TiVCr)subgt;100‑x/subgt;Wsubgt;x/subgt;层中掺杂不同的W含量，W单层中通过层厚可调节α‑W和β‑W，通过不同相的组合、界面强化以及固溶强化，获得具有优异力学和物理性能的含W的低活化高熵合金材料。本发明方法操作简单，重复性好，清洁无污染，所制备薄膜表面平整，膜厚均匀，具有低活化，高热稳定性，抗辐照损伤等性能优势，相比TiVCr单相薄膜性能显著提升，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于金属薄膜材料及其制备领域，具体涉及一种含W低活化高熵合金薄膜及其制备方法

背景技术

高熵合金即4种或4种以上元素以等原子比或近原子比组成的多主元合金，可以形成单一的面心立方(FCC)、体心立方(BCC)或密排六方(HCP)结构。由于混合熵较高，高熵合金具有四大效应：高熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应、鸡尾酒效应。这四大效应使高熵合金比其他合金拥有更加优秀的性能，如突出的高温强度、良好的耐磨性能、良好的耐腐蚀性、优秀的抗辐照性能等。目前，BCC结构高熵合金多为高熔点元素组成的难熔高熵合金，塑性较差但拥有出色的热稳定性，有优异的高温环境应用潜能。

核聚变能具有清洁，高效的巨大优势，而材料是目前阻碍可控核聚变技术实现的重要瓶颈之一。在核聚变强烈的辐照条件下，材料的放射性大部分来自高能中子辐照活化后产生的放射性核素，低活化元素的放射性核素半衰期较短，这对核聚变堆第一壁的修护以及废料的回收利用十分有利，因此核应用材料应尽量选用低活化元素。目前，低活化钢具有抗氧化、耐腐蚀、机械加工性能好、易加工成形等优点，因此被选为聚变堆第一壁的主要结构材料，但其作为第一壁材料远不能满足在聚变堆服役环境下的要求。为此，可以采用表面改性的方法来改善其表面性能。研究表明，高熵合金独特的高熵效应、晶格畸变效应使其在辐照的环境下相较为稳定，初始辐照损伤较小，缓慢扩散效应对辐照后辐照缺陷的迁移与长大有明显的抑制作用。在纳米多层结构材料中，高密度的界面在强化材料力学性能的同时也会吸附辐照缺陷，减少辐照损伤。因此纳米结构多层高熵合金材料拥有优异的力学性能及抗辐照损伤能力，有望作为聚变堆保护材料增加等离子体的运行稳定性，提高第一壁材料的使用寿命，提高反应堆的有效运行时间，意义十分重大。

磁控溅射法作为物理气相沉积的一种，具有沉积速度快、材料适用性广泛、沉积薄膜纯度高、致密性和均匀性好、能精确控制厚度、可批量生产的优点，是制备高熵合金薄膜的首选方法之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于耐高温抗辐照保护涂层的含W低活化高熵合金薄膜，本发明的另一目的在于提供上述薄膜材料的制备方法。本发明采用直流磁控溅射法沉积薄膜，能制得表面平整，膜厚均匀的高熵合金薄膜。

本发明的技术方案为：一种含W低活化高熵合金薄膜，其特征在于：利用共溅射和交替溅射沉积(TiVCr)_100-xW_x(0≤x≤25％)高熵合金层和单相W层，形成具有不同单层厚度的(TiVCr)_100-xW_x/W纳米多层结构，通过不同相的组合、界面强化以及固溶强化，获得强度、耐热和抗辐照兼具的含W低活化高熵合金薄膜。

所述的(TiVCr)_100-xW_x高熵合金和单相W层单层厚度相等，层厚均为2-500nm。优选所述的高熵合金薄膜的总厚度为1-10μm。

本发明还提供了一种制备上述的含W低活化高熵合金薄膜的方法，采用磁控溅射的方法，结合共溅射和交替溅射的方法制备不同厚度的(TiVCr)_100-xW_x/W高熵合金薄膜，其具体步骤如下：