一种强韧耐蚀的非等摩尔高熵氮化物陶瓷涂层及制备方法

技术领域

本发明涉及一种材料表面涂层技术领域，尤其是一种多元复合陶瓷涂层技术，具体地说是一种强韧耐蚀的

背景技术

氮化物陶瓷涂层因具有高硬度、高弹性模量、高耐磨性等优异的力学性能，以及高熔点、高热导、耐烧蚀等高温稳定性能，在刀具、模具等机械制造以及航空、航天、核能等高端装备领域广泛应用。但随着制造业和高端装备的不断发展，对涂层综合性能要求越来越高。传统的二元(NbN、ZrN、TiN、HfN等)和三元(TiAlN)氮化物涂层逐渐不能满足恶劣服役环境和工况条件的使用要求。高熵陶瓷是基于间隙相的固溶体，含有4种或更多种金属元素，由于熵稳定性赋予高熵氮化物独特的物理和机械性能，使得它们在硬度、断裂韧性、耐腐蚀性和高温稳定性方面超过了传统的氮化物陶瓷，因此高陶瓷引起了越来越多的关注。

迄今为止，几乎所有的高熵陶瓷的研究工作都集中在五组分等摩尔成分上。近期研究发现在具有最佳的氧空位量的非等摩尔组合物中发现了隔热更好、硬度更高的非等摩尔高熵陶瓷。与高熵陶瓷相比，非等摩尔高熵陶瓷的多样化类别提供了更多的可能性来定制成分和缺陷，从而定制各种特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的高熵氮化物涂层中各元素要求严格相等而存在操作性不强，性能难以提高，开发难度大的问题，发明一种强韧耐蚀的

本发明的技术方案之一是：

一种强韧耐蚀的

量为：Ti、Zr、Hf、Nb、Mo等过渡金属元素，各元素的摩尔分数为5～15％之间，且不相等，同时利用氮元素进行平衡。

本发明提供的非等摩尔的单相高熵氮化物陶瓷涂层，Ti、Zr、Hf、Nb、Mo等过渡金属元素的摩尔分数非严格相等或相近，即x

优选的，所述强韧耐蚀高熵氮化物陶瓷涂层的晶型结构为FCC结构。

本发明所述强韧耐蚀高熵氮化物陶瓷涂层，其强韧耐蚀特性在价电子浓度(VEC＝4*(x

本发明的技术方案之二是：

一种强韧耐蚀的

步骤一：将腔体抽真空，通入高纯氩气控制气压为0.33～0.8Pa，控制中频电源激发氩气辉光放电产生等离子体，对基底表面进行活化清洗。

步骤二：在基体与FCC高熵氮化物陶瓷涂层之间施加化学组成为TiZrHfNbMo、厚度为200～500nm的高熵合金过渡层。

步骤三：在高熵合金过渡层表面进行射频反应磁控溅射沉积，得到化学组成为

优选的，所述方法制取的高熵氮化物陶瓷层的厚度为1～8μm。

本发明提供了上述技术方案所述陶瓷涂层或上述技术方案所述制备方法制备的陶瓷涂层在工具、刀具、模具、航天航空设备、核能设备或医疗器械表面涂层中的应用。

本发明的有益效果是：

本发明提供的高熵氮化物陶瓷涂层，化学组成为

本发明提供的制备方法，包括以下步骤：采用射频反应磁控溅射，反应溅射气源包括氮源和惰性气体，阴极靶材为Ti、Zr、Hf、Nb、Mo单质的金属靶材，在基底表面进行沉积，得到化学组成为

本发明提供的陶瓷涂层，包括过渡层和设置于所述过渡层表面的氮化物陶瓷层。本发明提供的陶瓷涂层包括过渡层，所述过渡层能够消除基底与氮化物陶瓷层的热膨胀系数差异，提高氮化物陶瓷层与基底的结合力。本发明提供的陶瓷涂层包括氮化物陶瓷层，所述氮化物陶瓷层的材料为化学组成为

本发明提供的上述技术方案所述陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：在过渡层表面进行反应射频磁控溅射沉积，得到化学组成为

附图说明

图1为实施例1制备的高熵氮化物陶瓷涂层在扫描电子显微镜下放大20000倍获得的涂层表面形貌图。

图2为实施例1制备的高熵氮化物陶瓷涂层的结构示意图。

图3为实施例1制备的高熵氮化物陶瓷涂层在大气环境下(5N-5Hz-60min-

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1。

如图1-图3所示。

一种强韧耐蚀的

1.基体清洗。选用硬质合金基体，依次采用丙酮和无水乙醇分别超声波清洗15min，氮气吹干后放入磁控溅射设备的腔体内。

2.基体表面等离子体活化。中频电源辉光放电产生等离子体，对基底表面进行活化清洗30min，提高涂层的附着力。

3.高熵合金过渡层制备。控制Ar流量调节气压为0.8Pa。分别打开与Ti、Zr、Hf、Nb、Mo单质的金属靶材串联的射频电源，脉冲偏压150V，沉积厚度为500nm的TiZrHfNbMo过渡层。

4.高熵氮化物陶瓷涂层制备。通入N

如图2所示，第一步采用射频磁控溅射，在基体表面制备一层厚度为200～500nm、成分为TiZrHfNbMo的高熵陶瓷过渡层；第二步，通入氮源气体，采用反应射频磁控溅射在过渡层表面制备一层厚度为1～8μm的高熵氮化物陶瓷涂层。

5.对本实施例制备的高熵氮化物陶瓷涂层采用纳米压痕法进行硬度测试，硬度为38.15GPa。

如图1所示，本实施例的涂层表面致密、无微细孔洞和金属液滴等微观缺陷。

如图3所示，本实施例制备的高熵氮化物陶瓷涂层在高速、重载以及干摩擦条件下60min内未发生涂层剥落和磨穿。

实施例2。

一种强韧耐蚀的

1.基体清洗。选用TC4基体，分别采用丙酮和无水乙醇依次超声波清洗15min，氮气吹干后放入磁控溅射设备的腔体内。

2.基体表面等离子体活化。中频电源辉光放电产生等离子体，对基底表面进行活化清洗30min，提高涂层的附着力。

3.高熵合金过渡层制备。控制Ar流量调节气压为0.8Pa。分别打开与Ti、Zr、Hf、Nb、Mo单质的金属靶材串联的射频电源，脉冲偏压150V，沉积厚度为500nm的TiZrHfNbMo过渡层。

4.高熵氮化物陶瓷涂层制备。通入N

5.对本实施例制备的高熵氮化物陶瓷涂层采用纳米压痕法进行硬度测试，硬度为33.12GPa。

6.按照国标10125 2012人造气氛腐蚀实验盐雾试验规定的方法进行的。具体为：PH值为6.5的氯化钠溶液，溶液经喷雾装置喷到密闭的盐雾试验箱内，样品放在盐雾试验箱内，间断性的观察样品表面是否锈蚀，连续放置1000h，取出后观察样品表面未发现有锈蚀。

显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。