[发明专利]一种TaNbTi基难熔中熵非晶合金涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种TaNbTi基难熔中熵非晶合金涂层及其制备方法，该合金涂层为TaNbTiCr或TaNbTiAl，其组成元素都为等原子比。在单面抛光的单晶硅基体上采用磁控溅射共溅射的方法制备TaNbTi基难熔中熵合金涂层，靶材为两个TaNbTi合金靶纯度99.9wt.％，一个Cr靶纯度99.95wt.％或一个Al靶纯度99.99wt.％，通过磁控溅射共溅射技术制备的TaNbTi基难熔中熵合金涂层，微观结构为致密均匀的非晶组织，内部缺陷少，元素分布均匀，粗糙度极小，截面断口呈韧窝状花纹形貌，该TaNbTi基难熔中熵合金涂层具有优异的力学性能、抗氧化和耐腐蚀性能。

技术领域

本发明属于金属表面改性领域，具体为一种TaNbTi基难熔中熵非晶合金涂层及其制备方法。

背景技术

核反应堆包壳材料的安全服役与使用寿命是制约其发展与应用的重要因素。核燃料包壳材料需要长时间经受高温、磨损、氧化、腐蚀和辐照等的作用，服役条件十分苛刻，尤其是高温氧化与腐蚀会加速包壳材料的失效，进而引发核泄漏等重大灾难和损失。

目前国际上使用的包壳材料主要是铁基材料，首选是铁马钢。但是铁基材料在铅铋液态金属中会发生严重腐蚀，钢中的Fe、Cr、Ni元素在铅铋液态金属中有很大的溶解度，而在氧含量略高时，这种腐蚀便以氧化为主，不仅破坏包壳，还可能存在氧化层局部脱落后堵塞管道的隐患。因此，为延长包壳材料的安全服役寿命，对材料进行表面改性是当前最为有效的手段。已有的陶瓷涂层比如SiC、TiN等，存在脆性大，延展性小，膜基结合差等问题；传统合金涂层如Al-Ti-Fe等，又易形成脆性金属间化合物，加速腐蚀。

中熵合金由于形成稳定相的元素减少，有效减轻了由于原子失配导致的合金强度、模量和延展性等性能的恶化，表现出了独特的力学性能、耐腐蚀氧化与抗辐照性能，在高温合金、热电材料、高性能合金涂层、超导材料、核包壳结构材料涂层等领域具有广阔的应用前景。燃料包壳的腐蚀氧化一般最容易沿晶界、微孔等局部缺陷处发生，因此需要设计一种非晶合金以解决现有燃料包壳材料的问题。

而非晶合金由于较少的缺陷可以有效提高材料的耐腐蚀氧化性能。因此，中熵非晶合金在核包壳材料的防腐中具有巨大的潜力。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种TaNbTi难熔中熵合金涂层及其制备方法，由于非晶合金较少的缺陷可以有效提高材料的耐腐蚀氧化性能，所制备的TaNbTi难熔中熵合金涂层具有均匀的微观组织和优异的力学性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种TaNbTi基难熔中熵合金涂层，该难熔中熵合金涂层为TaNbTiCr或TaNbTiAl，微观结构为无序非晶组织。

优选的，所述TaNbTiCr及TaNbTiAl的元素原子百分数之比为1:1:1:1。

优选的，所述难熔中熵合金涂层的截面断口呈韧窝状花纹形貌。

优选的，所述难熔中熵合金涂层的厚度为2.3～3.3μm。

优选的，所述TaNbTiCr难熔中熵合金涂层的纳米压痕硬度为8.4～9.0GPa，模量为120.0～130.0GPa；

所述TaNbTiAl难熔中熵合金涂层的纳米压痕硬度为8.0～8.5GPa，模量为110.0～120.0GPa。

优选的，所述TaNbTiCr难熔中熵合金涂层的表面粗糙度为R_a：0.75nm；

所述TaNbTiAl难熔中熵合金涂层的表面粗糙度为R_a：0.20nm。

一种TaNbTi基难熔中熵非晶合金涂层的制备方法，包括以下步骤：