[发明专利]一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法

说明书

一种高硬度六元高熵合金薄膜及其制备方法，属于高熵合金领域。薄膜成分由Al、Cr、Fe、Ti、Mo、Si六种元素组成，原子比为Al 23％～25％、Cr 23％～25％、Fe 10％～12％、Ti 23％～25％、Mo 13％～15％、Si 1％～2％。薄膜组织结构为非晶态，硬度为11.21GPa～12.99GPa，弹性模量为162.1GPa～177.03GPa。制备方法分为靶材粉体制备、合金靶材制备、基体的准备、磁控溅射沉积薄膜四个步骤。本发明制备的薄膜元素分布均匀，表面粗糙度小，结构处于无序状态，具有优异的耐腐蚀性能；同时，由于元素原子尺寸差异较大，且非晶薄膜没有位错、晶界缺陷，大大提高了薄膜的硬度。本发明的制备方法可行性强，可重复性高，成本低，可在复杂构件、薄壁件表面制备高硬度、耐腐蚀的高熵合金薄膜，易于应用和推广。

技术领域

本发明涉及高熵合金材料技术领域，特别涉及一种AlCrFeTiMoSi六元高熵合金薄膜及其制备方法。

背景技术

Yeh等在2006年首次提出高熵合金的四个核心效应：热力学上的高熵效应、结晶学上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的鸡尾酒效应，这些效应使得大部分高熵合金在性能上要优于传统合金。高熵合金块体主要通过电弧熔炼方法制备。但制备时样品尺寸有限、工艺成本较高。此外，也有学者采用机械合金法或粉末冶金技术制备高熵合金，但这两种方法工序较为复杂。高熵合金涂层/薄膜以高熵合金理论为基础，在降低成本的基础上可获得与高熵合金块体相似的性能。

磁控溅射工作温度可控，可在薄壁零件镀nm、μm级薄膜，有利于抑制金属间化合物形成，形成单一固溶体或非晶相，有望应用于复杂薄壁零件表面，提高其硬度、耐磨性和腐蚀性能。

发明内容

本发明旨在提供一种非等原子比AlCrFeTiMoSi高熵合金薄膜材料及制备方法。主要包括靶材的制备、基体的准备以及磁控溅射沉积薄膜。

本发明提供的技术方案如下：

一种高硬度六元高熵合金薄膜，其特征在于，所述薄膜成分由Al、Cr、Fe、Ti、Mo、Si六种元素组成，原子比为Al 23％～25％、Cr 23％～25％、Fe 10％～12％、Ti 23％～25％、Mo 13％～15％、Si 1％～2％。

进一步地，所述的高熵合金薄膜，薄膜组织结构为非晶态，硬度为11.21GPa～12.99GPa，弹性模量为162.1GPa～177.03GPa。

如上所述的高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、靶材粉体制备

1a将纯度≥99.9％，粒度～200目的纯金属粉末按照原子比Al 23％～25％、Cr23％～25％、Fe 10％～12％、Ti 23％～25％、Mo 13％～15％、Si 1％～2％称量；

1b通过行星式球磨机球磨混粉；球磨球料比10:1；保护气为氩气；转速75r/min；球磨时间18h，每隔3h检查粉体是否粘连；

步骤2、合金靶材制备

2a通过真空热压烧结炉进行三段式保温热压烧结；炉冷后机械加工至合适靶材尺寸；步骤3、基体的准备

3a将单面抛光100Si和T91钢切成相同尺寸的片状试样；

3b切割后用丙酮六面擦净试样，再用去离子水冲洗；然后在无水乙醇中进行超声振动，振动时间15-25min；用吹风机从侧面将基片吹干备用；

步骤4、磁控溅射沉积薄膜；

4a将靶材固定在靶材座，Si和T91基片放入样品座中，用高温胶固定；

4b打开机械泵、分子泵将本底真空度调为4.3×10^-4帕，冲入99.99％氩气作为工作气体；