[发明专利]一种超硬耐磨难熔高熵合金薄膜及其制备方法

说明书

本发明属于耐磨合金材料技术领域，涉及一种超硬耐磨难熔高熵合金薄膜及其制备方法。所述的超硬耐磨难熔高熵合金薄膜具有超细纳米晶、硬度耐磨性能超常等特征。所述的制备方法包括以下步骤：制备NbMoWTa难熔高熵合金靶材；所述的溅射靶材是通过Nb、Mo、W、Ta金属粉末球磨混合后，在高温下进行等离子体烧结而成；采用磁控溅射法将所得到的难熔高熵合金靶材在硅基底上溅射成膜，得到超硬耐磨难熔高熵合金薄膜。本发明制备工艺简单、稳定可控；所得到的产品晶粒细小均一、力学性能和耐磨性优异。这为实现难熔高熵合金在极端工程应用提供了必要条件。

技术领域

本发明涉及耐磨合金材料技术领域，具体为一种超硬耐磨难熔高熵合金薄膜及其制备方法。

背景技术

高熵合金是由四种或四种以上的合金元素以等摩尔比或近等摩尔比混合而成的，其多组元将导致其混合熵较高，在热力学上呈现出高熵效应，往往形成单相固溶体结构，而不是脆性的金属间化合物，因此相较于传统合金而言，高熵合金表现出高强度、抗辐照性、耐腐蚀性能等优异的力学及物理化学性能。难熔高熵合金则是由四种或四种以上难熔金属元素(如Nb、Mo、W、Ta、V、Zr、Hf)以等原子比或近等原子比混合而成的一类高熵合金，由于组元都具有高熔点等特点，因此相比于传统的镍基、钴基高温合金，难熔高熵合金具有更高的回火抗力和抗高温软化性能，有望在航空、航天、核能等高温苛刻工况下应用。

然而，由于难熔高熵合金的高熔点，采用传统的电弧熔炼法和粉末冶金法难以满足制备出具有组织均匀、单相结构的难熔高熵合金，制约了难熔高熵合金的发展；其次，块体难熔高熵合金成本过于高昂，难以将其推向规模化应用，因此将难熔高熵合金薄膜涂覆于现有的零部件表面或具有更大的经济效益。

目前，薄膜的制备方法主要有磁控溅射法、激光熔覆法、等离子喷涂法等工艺方法。其中，磁控溅射技术具有沉积速度快、可在各类基底上沉积，所得到的薄膜纯度高、均匀致密、能够精确调控厚度等优点，是将其推向实际生产应用的理想工艺技术；另一方面，该技术仅涉及靶材的物理溅射过程，无需将其加热熔化，因此十分适合制备难熔高熵合金体系薄膜。

此外，由于难熔高熵合金多组元间迥异的元素性质，通过磁控溅射工艺的合理调控有望制备得到具有特殊结构的涂层材料，从而获得非凡的力学及摩擦性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超硬耐磨难熔高熵合金薄膜及其制备方法，以实现上述背景技术中提出的技术效果。

为实现上述目的，发明提供如下技术方案：一种超硬耐磨难熔高熵合金薄膜，包括以下等原子百分比的合金组分：Nb、Mo、W、Ta。

优选的，所述超硬耐磨难熔高熵合金薄膜具有单相BCC固溶体结构，晶粒尺寸不高于25nm，薄膜厚度在3.0～3.5μm。

优选的，所述超硬耐磨难熔高熵合金薄膜的原始组织表现出周期性为5～10nm的调幅层状分解亚结构。

优选的，所述超硬耐磨难熔高熵合金薄膜的纳米压入硬度在20～25GPa，磨损率在1.0×10^-5～1.4×10^-5mm³/(N·m)。

一种超硬耐磨难熔高熵合金薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：溅射靶材的制备：将各单质元素Nb、Mo、W、Ta金属粉末按照等摩尔比例使用高能球磨法混合24～30h，随后在1500～1700℃下采用等离子体烧结技术制备出具有等原子比的NbMoWTa难熔高熵合金靶材；

步骤二：薄膜沉积：通过磁控溅射技术将步骤一所得到的合金靶材在硅基底上溅射成膜，溅射功率为100～120W，偏置电压为-80～-100V，得到超硬耐磨难熔高熵合金薄膜。

优选的，所述硅基底采用经丙酮、无水乙醇清洗并吹干后的单面抛光单晶硅基片。