[发明专利]一种高结晶性单相高熵氮化物涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高结晶性单相高熵氮化物涂层及其制备方法，属于涂层技术领域，该涂层包括的元素为Al、Cr、Ti、Nb、Hf和N，涂层为单一面心立方结构；该涂层的制备方法为：在Ar和Nsubgt;2/subgt;气氛中，使用单极高功率脉冲磁控溅射的方法溅射Alsubgt;25/subgt;Crsubgt;25/subgt;Tisubgt;25/subgt;Nbsubgt;25/subgt;合金靶和使用双极高功率脉冲磁控溅射的方法溅射Hf金属靶，涂层沉积过程中，基体接地。本发明涂层为单一面心立方结构，结晶性强，符合高熵氮化物的强化标准。本发明涂层的制备方法无需对基体进行加热，可节省生产成本，另外，该方法可有效避免Ar离子加速引起的涂层残余压应力升高和高能离子流轰击引起的涂层生长速度降低。

技术领域

本发明属于涂层技术领域，涉及一种高结晶性单相高熵氮化物涂层，还涉及一种在室温下获得的高结晶性单相高熵氮化物涂层的制备方法。

背景技术

自高熵合金概念被提出以来，便因其优异的性能受到广泛关注。高熵合金在硬度、耐腐蚀性、耐摩擦磨损性能等方面均优于传统合金。高熵合金性能的提升源于四种基本效应的相互作用，即热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的缓慢扩散效应和性能上的鸡尾酒效应。将高熵合金中的金属键替换为高键能的共价键或离子键可形成高熵陶瓷材料，如高熵氮化物，可进一步提高材料的硬度、耐磨性和抗氧化性以满足工程和应用需求。高熵氮化物可作为特种功能的硬质涂层应用于工件表面，从而提高工件的整体耐腐蚀性、耐磨性和热稳定性等，且效果高于传统二元或三元氮化物。

对于高熵氮化物涂层而言，发挥四种基本效应的关键在于其组元由5种或5种以上等比金属元素组成且其组元需形成单一相，但高熵氮化物涂层的组元氮化物的复杂性造成以下两个问题：（1）形成高熵氮化物的金属元素与氮化物结合后会形成不同的相结构，以AlCrTiNbHfN为例，AlN为密排六方结构，CrN、TiN、NbN、HfN为面心立方结构，若AlN无法有效固溶，此高熵氮化物会形成双相，（2）由于多组元的特点，高熵氮化物成出现结晶性差的问题，尤其是当N原子进入金属原子空位时，强晶格畸变会打破材料的固有晶体结构，宏观上常表现为向非晶态结构的转变，若涂层结晶性较差，其硬度、耐磨性均会有不同程度的下降。这两种现象在物理气相沉积制备的高熵氮化物涂层中的表现更为明显。提高涂层沉积温度可有效解决此问题，根据涂层的生长结构与沉积温度的基本关系，当沉积温度（T_d）与涂层材料的融化温度（T_m）的比值，即T_d / T_m大于0.3时，涂层才有可能形成致密的高结晶性结构，但是，高熵氮化物组元形成的二元氮化物的融化温度各不相同，这就导致不同组元在同一沉积温度下属于不同的涂层结晶区域，而且物理气相沉积制备方式固有的低沉积温度（一般低于600℃）使得此方法实施难度较大。提高涂层的结晶性也可通过提高离子轰击能量的方式获得，但是此方法的缺点在于，提高涂层组成元素的离子轰击能量的同时，Ar离子的轰击能量也往往被提高，这就导致大量Ar离子进入涂层晶界，涂层残余压应力升高，易产生涂层剥落。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高结晶性单相高熵氮化物涂层及其制备方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明采取的技术方案为：一种在室温下获得的高结晶性单相高熵氮化物涂层，该涂层包括的元素为Al、Cr、Ti、Nb、Hf和N，涂层为单一面心立方结构。

其中，上述涂层的组成元素Al、Cr、Ti、Nb、Hf、N的原子比例关系为：Al: Cr: Ti:Nb: Hf: N = 7~12: 7~12: 7~12: 7~12: 7~12: 48~65。

其中，上述涂层的组成元素Al、Cr、Ti、Nb、Hf、N的原子比例关系为：Al: Cr: Ti:Nb: Hf: N = 7: 10: 10: 10: 12: 51