[发明专利]一种纳米晶TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层及其制备方法，Zr的原子百分比小于15.8at.％，其余为近等原子比的TaWMoCr。在抛光的钢基体和单晶硅基体上采用磁控溅射共溅射的方法制备TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层，其中TaWMoCr合金靶采用2个直流电源，Zr靶采用1个射频电源。高真空磁控溅射共溅射制备得到的TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层为单相BCC固溶体，具有纳米柱状晶结构，表面形貌为针片状，成分均匀，组织致密，厚度为2.1～2.7μm。Zr的适量加入可以有效提高TaWMoCr高熵合金涂层的力学性能、膜基结合性能以及抗氧化性能，扩展了高熵合金涂层的应用范围。

技术领域

本发明涉及金属表面改性领域，具体为一种TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层及其制备方法。

背景技术

高熵合金因其独特的结构和优异的综合性能而具有广阔的应用前景，成为近些年的研究热点。传统合金体系的设计理念是基于满足某些主要性能的要求，选择一种或两种主要元素，同时在合金化的过程中添加少量其他元素来提高合金的性能，如强度与韧性、耐腐蚀性、耐磨性等。而新兴的高熵合金则提出了一种全新的合金设计理念，其由多种元素以等原子比或近等原子比混合而成。传统合金的研究认为，合金体系中过多的元素易于形成脆性金属间化合物，从而使合金结构变得复杂。而对高熵合金的研究发现，其具有很高的混合熵和晶体内原子的迟滞扩散效应，容易获得热稳定性极高的简单固溶体，主要是面心立方(FCC)、体心立方(BCC)和密排六方(HCP)。而其独特的晶体结构又使得多主元高熵合金显现出许多优异的性能，如高强度，高韧性，优异的耐腐蚀性、耐磨损性、抗氧化性、抗辐照性和热稳定性等。

目前，NbMoTaW难熔高熵合金是研究最广泛的高熵合金种类之一，其具有稳定的单相体心立方结构，具有优异的高温力学性能和组织结构稳定性，可以在1600℃保持较高的强度；且各组元元素的扩散系数低，高温下能够表现出良好的阻扩特性和抗蠕变变形能力。然而，较差的抗高温氧化性能限制了其进一步的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种纳米晶TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层及其制备方法，所制备的TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层具有均匀的微观组织、良好的抗氧化性能以及优异的力学性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层，其化学成分组成原子百分比为：Zr元素的原子百分数小于15.8at.％，其余为等原子比的TaWMoCr。

优选的，所述TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层的晶体结构为单相BCC固溶体，晶粒为纳米柱状晶，表面形貌为针片状。

优选的，所述TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层的厚度为2.1～2.7μm。

一种TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层的制备方法，包括以下过程：

真空环境下，在干净的基体上采用TaWMoCr合金靶和Zr靶共溅射TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层，然后冷却至室温得到TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层；

其中，TaWMoCr合金靶的溅射功率为100W，Zr靶的溅射功率≤60W，沉积气压0.3Pa，基盘转速15r/min，沉积时间20000s。

优选的，采用两个TaWMoCr合金靶和一个Zr靶共溅射TaWMoCrZr难熔高熵合金涂层。

优选的，所述TaWMoCr合金靶的原子百分比为，Ta:W:Mo:Cr＝29:29:23:19at.％。

优选的，在对基体溅射前先对基体进行预处理：

首先，对基体进行超声清洗并烘干；

然后，对基体进行真空刻蚀，功率200W，气流量60sccm，刻蚀5分钟。