[发明专利]一种双相HfMoNbZr高熵合金氮化物薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及高熵陶瓷领域，公开了一种双相HfMoNbZr高熵合金氮化物薄膜及其制备方法，该薄膜以HfMoNbZr四元合金作为靶材，以硬质合金块体和硅片作为基体经磁控溅射沉积获得，薄膜中各元素原子百分含量为Hf 12％～14％、Mo 13％～15％、Nb 11％～14％、Zr11％～14％、N 45％～50％。高熵合金氮化物薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤一、对硬质合金基体进行抛光处理；步骤二、去除硬质合金块体和硅片基体表面的油污和粘结剂；步骤三、薄膜沉积：在真空条件下，以HfMoNbZr四元合金为靶材、硬质合金块体和硅片为基体，通入惰性气体氩气和反应气体氮气进行薄膜沉积。本发明可有效提高薄膜的耐磨性，制备而成的薄膜适用于模具和刀具等易磨损领域。

技术领域

本发明涉及高熵陶瓷领域，具体涉及一种双相HfMoNbZr高熵合金氮化物薄膜及其制备方法。

背景技术

随着当前社会工业的快速发展，对零部件表面的性能要求越来越高，传统陶瓷(TiN、TiAlN)薄膜在刀具领域的应用受到极大限制，因此急需具有高耐磨性、良好的热稳定性和高温抗氧化性材料来打破这一限制。2004年，中国台湾省的叶均蔚教授提出高熵合金概念，高熵合金通常是由五种或五种以上的元素组成，且每种元素的原子百分比在5％到35％之间。在结构方面，由于其具有高的构型熵，能够抑制金属间化合物的出现，促进简单相固溶体结构的形成。在性能方面，高熵合金的组成元素多，原子半径差异明显，晶格畸变严重，使得高熵合金硬度比传统合金更高，耐磨性更好。并且在高熵合金薄膜中加入小原子半径的非金属元素(例如C、N、O、B等)，将更加有效的提高薄膜的硬度、耐磨性、热稳定性和抗高温氧化性，人们将这种薄膜称为高熵合金陶瓷薄膜。

高熵合金陶瓷薄膜具有独特的组织结构和优异的机械性能受到广泛关注，中国专利CN108220880A使用直流磁控溅射技术制备以TiN和TiAlN为过渡层的(AlCrTiZrNbV)N涂层，获得的涂层硬度可达35GPa并且具有优异的耐腐蚀性能。中国专利CN109881148A公开一种AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层的制备工艺，使用此工艺制备的高熵合金氮化物涂层的热稳定性能达到1000℃，同时兼具高的膜-基结合力和高温抗氧化物性，为刀具在高速切削中提供性能保障。

近年来通过对高熵合金氮化物薄膜的研究发现，双相结构的薄膜相比于单相固溶体结构的薄膜强度更高，这主要是双相结构中存在大量固溶体强化以及界面密度，阻碍位错滑移运动，其延展性来自位错-塑性和相变诱导硬化。双相的协同变形能够为动态应变-应力的分配产生有利作用，为提高工件表面保护层的强度和抗冲击韧性提供了设计思路。

本发明的目的是使用直流磁控溅射技术制备一种具有双相结构的高熵合金氮化物薄膜，同时兼具硬度高，韧性好等特点，为刀具涂层未来发展提供理论基础和应用价值。

发明内容

本发明意在提供一种双相HfMoNbZr高熵合金氮化物薄膜及其制备方法，在性能上保证硬度的同时薄膜具有一定韧性，对提高刀具在切削过程中的耐磨性具有积极作用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种双相HfMoNbZr高熵合金氮化物薄膜，以HfMoNbZr四元合金作为靶材，以硬质合金块体和硅片作为基体经磁控溅射沉积获得，薄膜中各元素原子百分含量为Hf 12％～14％、Mo 13％～15％、Nb 11％～14％、Zr11％～14％、N45％～50％。

优选的，作为一种改进，薄膜具有面心立方结构(FCC)和体心四方结构(BCT)，且断口形貌表现为柱状晶结构。

优选的，作为一种改进，薄膜的硬度为29～30GPa，弹性模量为310～317GPa，磨损率为6.19×10^-15m³·N^-1·m^-1。

优选的，作为一种改进，HfMoNbZr四元合金靶的纯度＞99.99％，HfMoNbZr四元合金靶中原子比为1:1:1:1。