[發明專利]一種表面梯度高熵合金層及其制備方法

有效

• 申請號: 202011511244.8
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112501569B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 劉興軍;王成磊;黃超;姚志富;楊木金;楊智杰;賈雪;成東旭;王彤彤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/02;C23C14/58
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 童世鋒

本發明公開了一種表面梯度高熵合金層及其制備方法，該方法是將Cr、Ni、Fe、Cu、Ti、W、Mo和Nb等棒狀金屬源極材料插入輔助源極桶的小孔中，插有棒狀源極材料的輔助源極桶放置于接入源極脈沖電源的工作盤上，預滲基材通過接入工件脈沖電源的工件陰極架和掛鉤懸掛于輔助源極桶中，采用雙陰極等離子固態冶金方法將預滲元素滲鍍到基材表面，形成表面梯度高熵合金層，該合金層由上至下包括表面沉積層和擴散層，與基材呈冶金結合，成分呈梯度分布，結合力強；沉積層厚度可高達60μm，擴散層厚度可高達100μm，可根據需要通過調整工藝參數調節沉積層和擴散層的厚度；可以在各種復雜形狀的工件表面制備高熵合金層，成分可控，且組織結構特征好。

技術領域

本發明涉及表面改性技術領域，具體是一種表面梯度高熵合金層及其制備方法。

背景技術

高熵合金被定義為合金是由5種及5種以上主元構成，且每種主元的原子百分數在5%~35%之間。盡管高熵合金擁有多個主元，具有形成復雜相的趨勢，但是，“高熵效應”導致合金實際上形成的是具有簡單fcc或bcc 或兩者復合的固溶體結構，而不是形成金屬間化合物等復雜相。高熵合金優異的性能決定了其廣闊的應用空間。其潛在的應用領域包括：模具與刀具、電子元器件、發動機、耐磨涂層、高頻交流材料、核結構材料、光傳輸材料、生物醫用材料、熱阻隔材料、儲氫材料、船舶與海洋工程材料、化工材料、耐腐蝕材料、耐磨材料、熱電材料、超導材料和電磁材料等。

金屬材料本身在制造過程中都會有一些意想不到的性能缺陷和不足，因此表面薄膜（涂層）作為一種重要的保護手段，主要應用于改善材料本身的性能。一個具有優異性能的薄膜（涂層）會對材料防護性能和使用壽命起到巨大的增幅作用。高熵合金薄膜（涂層）作為一種新的合金薄膜材料，其性能的卓越毋庸置疑，因此在實際生產生活中應用范圍廣闊，如高溫防護材料、切削刀具涂層、微納米電子器件、防輻射材料和軟磁功能材料、儲氫材料等。

隨著科技水平的提高，高熵合金薄膜（涂層）研究的不斷深入，更多簡便的，富有創新性的薄膜（涂層）制備方法涌現出來。到目前為止，高熵合金薄膜（涂層）的制備主要采用以下幾種方法：（1）物理氣相沉積（PVD）：真空濺射法、真空蒸發法和離子鍍法；（2）熔覆法：熱噴涂法、激光熔覆法；（3）電沉積法；（4）化學氣相沉積法（CVD）等。但是上述高熵合金薄膜（涂層）的制備方法都存在一定的不足，如：物理氣相沉積（PVD）制備的高熵合金薄膜（涂層）較薄，且沒有實現冶金結合，結合力較差；熔覆法制備的高熵合金薄膜（涂層）厚度雖然較厚，但易產生裂紋和孔洞，缺陷較多，而且存在成分偏析；化學氣相沉積法（CVD）制備過程難以控制且污染環境等。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，而提供一種表面梯度高熵合金層及其制備方法。

實現本發明目的的技術方案是：

一種表面梯度高熵合金層的制備方法，包括如下步驟：

1）取棒狀金屬源極材料插入自制的輔助源極桶周圍的小孔中；

2）清洗基材：首先采用手動拋光機將基材的表面打磨至光滑，隨后采用質量百分數10～20%的鹽酸溶液浸泡30～50min，隨后再采用超聲波清洗機加入丙酮清洗10～30min，最后將基材干燥備用；

3）采用雙陰極等離子固態冶金設備，將步驟1）插有棒狀源極材料的輔助源極桶放置于接入源極脈沖電源的工作盤上，并用金屬墊片將輔助源極桶支起；基材通過接入工件脈沖電源的工件陰極架和掛鉤懸掛于輔助源極桶內，且不與棒狀金屬源極材料接觸；

4）將雙陰極等離子固態冶金設備內抽真空至＜500Pa，分別開啟源極脈沖電源和工件脈沖電源，逐漸升高兩電源的電壓和電流，此時輔助源極桶和基材產生輝光放電和打弧現象，對棒狀金屬源極材料和基材進行第一次轟擊清洗；

5）當棒狀金屬源極材料和基材沒有打弧現象時，關閉源極脈沖電源和工件脈沖電源，將真空度抽至＜5.0×10⁰ Pa時，關閉前級閥，開啟分子泵，打開擋板閥；