磁控溅射制备高熵合金薄膜研究进展∗

作为新兴合金材料,多主元高熵合金打破了传统合金中主要组成元素为一种或两种的合金设计理念,由至少五种主要元素构成,从而获得的高熵效应使其在性能上往往比传统合金具有更大的优势,如高硬度、高强度、抗高温氧化、耐腐蚀等。 近年来,高熵合金薄膜的性能及制备技术同样备受学术界和工业界的关注。 磁控溅射薄膜制备技术具有成膜温度低、膜层致密、结合力好等优点,已逐渐应用于高熵合金薄膜的制备及性能研究,具有非常大的工程应用前景。 介绍直流、射频、离子束及脉冲磁控溅射的特点及其在高熵合金薄膜中的应用,重点分析不同磁控溅射技术下制备的高熵合金薄膜的相结构特点和规律,并系统地阐述薄膜优异的各种性能,最后展望磁控溅射技术制备高熵合金薄膜发展的方向。     

TaWTiVCr高熵合金薄膜的制备及微观结构、力学性能研究

目的 使用磁控溅射设备进行共沉积,制备不同元素组成的TaWTiVCr高熵合金薄膜,并对薄膜力学性能进行表征,为该体系高熵合金最佳元素组成的筛选提供依据.方法 在共沉积中,通过对TaW和TiVCr两组中间合金靶的沉积电流进行调整,实现薄膜元素组成的调整.使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪...     

高熵合金涂层的摩擦学性能研究进展

相比于传统合金的设计方法及性能规律,高熵合金这种新兴材料体系的出现,提供了一种新的研究发展思路,且在各应用领域上表现出了极好的性能及发展潜力,为合金领域注入了新的活力.以涂层这一领域为重点,简要介绍了高熵合金的定义,解释了其基本的四大核心效应(高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应以及\"鸡尾酒\"效应),以及近年来研究者们...     

AlFeCuCoNiCrTix高熵合金的组织结构及电化学性能

研究了不同Ti含量的AlFeCuCoNiCrTix多主元高熵合金的组织结构及其在0.5 mol/L的H2SO4溶液和1 mol/L的NaCl溶液中的电化学性能,并与304不锈钢进行了对比.结果表明,随着Ti元素的添加,合金的组织结构仍然主要由BCC相和FCC相组成.极化曲线结果表明,在0.5 mol/L的H2SO4溶液中的,与304不锈钢相比,该系合金具有较低的腐蚀速率;在1 mol/L的NaCl溶液中,该系合金的腐蚀速率与304不锈钢相当,但是其抗孔蚀的能力要优于304不锈钢.     

AlxFeCoNiCrTi系高熵合金的组织结构及电化学性能研究

研究了不同Al含量的AkFeCoNiCrTi (x:摩尔比;x=0.5,1,1.5,2)多主元高熵合金的组织结构及其在0.5MH2SO4溶液和1 MNaCl溶液中的电化学性能,并与市售304不锈钢以及AIFeCuCoNiCrTix高熵合金进行对比.结果表明,随Al的添加,合金组织结构逐渐由FCC相和BCC相组成变为单一的BCC相.极化曲线测试结果表明,在0.5MH2SO4溶液以及1 MNaC1溶液中,该系合金耐腐蚀性要明显优于市售304不锈钢及AlFeCuCONiCrTix高熵合金,而其中AlFeCoNiCrTi合金具有最优越的综合耐腐蚀性能.     

高熵合金薄膜制备、微观结构与性能的研究进展

相较于传统的薄膜,高熵合金薄膜具有更加优异的力学性能和独特的物理化学性能,在近14年获得了长足发展.概述了近年来有关高熵合金薄膜的研究进展,首先介绍了高熵合金薄膜的制备工艺方法(溅射沉积、等离子喷涂、激光熔覆、等离子转移电弧熔覆、电化学沉积以及阴极电弧沉积等),详细说明了应用范围最广的溅射沉积技术的分类和特点,并且阐述...     

AlFeCoNiCrTiVx系高熵合金的组织结构及电化学性能

研究了不同钒含量的AlFeCoNiCrTi Vx(x为摩尔比,x=0.5,1,1.5,2)多主元高熵合金的组织结构及其在0.5 mol/L H2SO4溶液和1 mol/L NaCl溶液中的电化学性能,并与市售304不锈钢进行了对比。结果表明:随着钒元素的添加,合金的组织结构逐渐由两个bcc相组成变为单一的bcc相。极化曲线测试结果表明,在0.5 mol/LH2SO4溶液以及1 mol/L NaCl溶液中,该系合金的耐腐蚀性要明显优于市售304不锈钢,而其中AlFeCoNi-CrTi V0.5合金具有最优越的综合耐腐蚀性能。     

不同基底温度FeNiCoCrMn高熵合金薄膜的制备及耐腐蚀性能的研究

用射频磁控溅射的方法分别在单晶Si(100)和304不锈钢基底上制备了FeNiCoCrMn高熵合金薄膜,利用EPMA、XRD、SEM和动电位极化测试,确定薄膜的成分并探讨不同基底温度下沉积的薄膜的相结构、膜厚、形貌以及耐腐蚀性能规律。研究表明:高熵合金薄膜的成分与高熵合金靶材的成分一致,组成元素接近等摩尔比,且薄膜成分均匀;基底温度为100、200、300℃沉积的薄膜为非晶结构,基底温度为400、500℃沉积的薄膜为晶体结构;随着基底温度的升高,薄膜的厚度变薄,薄膜表面颗粒越来越大,横截面柱状组织越来越明显;由动电位极化测试的结果得出不同衬底温度沉积的高熵合金薄膜在1mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性都优于304不锈钢,且随着衬底温度的升高,薄膜的耐腐蚀性能降低,其中100℃沉积的薄膜的耐腐蚀性能最优。     

磁控溅射CoCrFeNi高熵合金薄膜的硬度和电阻率研究

目的 研究溅射功率对CoCrFeNi高熵合金薄膜硬度和电阻率的影响,期望获得同时具有高硬度和高电阻率的高熵合金薄膜,为其在电阻薄膜领域的应用提供实验基础。方法 在不同溅射功率条件下（40、60、80、100 W）,利用CoCr合金靶、Ni片和Fe片拼接成合金靶,采用磁控溅射法在硅基底表面沉积CoCrFeNi高熵合金薄膜。利用XRD分析薄膜相结构,通过SEM分析薄膜成分和形貌,利用显微硬度计测量薄膜硬度,采用双电测四点探针法测定薄膜电阻率。结果 不同溅射功率下制备的CoCrFeNi薄膜均与基底结合良好,呈柱状生长模式,且合适的溅射功率有助于获得等摩尔比高熵合金薄膜。随着溅射功率由40 W升高至100 W,薄膜结晶性得到改善,形成简单的FCC相,（111）择优生长更加强烈,柱状生长愈加明显,晶粒尺寸增大,硬度和电阻率降低。结论 溅射功率对CoCrFeNi薄膜组织和性能具有重要影响。当溅射功率为40 W时,CoCrFeNi薄膜同时具有最高硬度和最大电阻率,其值分别为940.5HV和336.5 μΩ?cm。     

AlCoCrNiSiTi_x高熵合金微观组织结构与力学性能

通过XRD、SEM、EDS分析及显微硬度测试,研究了不同Ti含量的AlCoCrNiSiTix高熵合金微观组织结构与力学性能。结果表明:AlCoCrNiSiTix高熵合金主要以bcc1+bcc2两相共存,其中bcc1为AlNi固溶体,bcc2为CrSi固溶体。随着Ti元素的添加,合金中出现了少量Ni3Ti金属间化合物;合金铸态组织形态呈树枝晶状,微观组织中Al、Ni、Ti主要存在于枝晶内,Cr、Si主要偏析于枝晶间;同时合金硬度显著提高。     

稀土Ce共溅射沉积(AlCrNbTiVCe)N涂层的高温摩擦学性能

研究了稀土Ce与AlCrNbTiV高熵合金磁控共溅射(AlCrNbTiVCe)N涂层500℃下的摩擦学性能。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层的表面形貌、成分、物相和价态。通过纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试涂层的力学性能和摩擦学性能。结果表明采用磁控溅射技术可以制备出性能良好的(AlCrNbTiVCe)N涂层,Ce的引入改善了涂层微观组织和结构,增强了涂层的硬度,提高了涂层的抗塑性变形能力和抗弹性变形能力,进而使涂层具有良好的摩擦磨损性能。在室温下(AlCrNbTiVCe)N涂层的摩擦因数和磨损率与未含Ce的(AlCrNbTiV)N涂层相比均显著降低,其磨损机制为轻微的磨粒磨损和粘着磨损;在500℃下(AlCrNbTiVCe)N涂层具有比室温下更低的摩擦因数,其磨损机制以氧化磨损为主,这是由于涂层表面存在CeO₂,起到了改善涂层摩擦性能的作用。在磁控溅射工艺中引入Ce元素,可以获得摩擦学性能优良的(AlCrNbTiVCe)N涂层。     

Study on the Tribological Properties of Graphite-like Amorphous Carbon Film under Different Testing Conditions

Graphite-like amorphous carbon film was fabricated by unbalanced magnetron sputtering technique.Raman spectroscopy,atomic force microscopy(AFM)and tribometer were subsequently used to investigate the microstructure and tribological properties of the resultant film.It is found that the deposited carbon film is dominated by sp 2 sites,and the intensity ratio of the D and G peaks is as high as 4.0,which is one order of magnitude larger than that of diamond-like carbon films with high sp 3 content,indicating a more graphite-like structure.However,the as-deposited carbon film exhibits moderately high hardness(13.7 GPa),low internal stress(0.38 GPa)and superior tribological properties with high load bearing capacity(Hertz contact stress about 3.2 GPa)and low wear rate(2.73×10-10 cm3/N.m)in ambient atmosphere.Although it displays a poor wear resistance in water lubricated condition,a superior wear resistance is achieved in oil lubricated condition.Its inherent physical property,the formation of transfer layer and the friction induced chemical reactions may be commonly responsible for its tribological properties.     

直流溅射沉积CrAlN和CrN薄膜微观结构与摩擦性能分析研究

采用直流反应溅射在304不锈钢表面沉积CrAlN和CrN薄膜。利用X射线衍射仪（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）,X射线光电子能谱仪（XPS）,原子力显微镜（AFM）等表征Al元素的加入对CrN薄膜成分与组织结构的影响。采用摩擦磨损试验机和3 mm的Si3N4作为对偶球测试其在不同环境下的摩擦性能,并利用Nanomap 500LS三维轮廓仪表征磨痕轮廓。研究结果表明,CrN薄膜主要物相是CrN和Cr2N相,CrAlN薄膜主要物相是CrAlN和Cr2N相。CrN薄膜的（200）晶面的CrN相呈择优取向,而CrAlN薄膜的（200）晶面的CrAlN相也呈择优取向。在CrAlN沉积的过程中,部分的Cr原子被Al原子替代形成有利于细化晶粒和提高薄膜的综合性能。因此,在所有的实验环境中,CrAlN薄膜都比CrN薄膜具有更好的抗磨损性能和低的磨损率。     

脉冲峰值电流对HIPIMS/DCMS共沉积制备AlCrTiN涂层性能的影响

利用HIPIMS与DCMS共沉积技术制备AlCrTiN复合硬质涂层,通过调控Al Cr靶脉冲峰值电流来制备不同峰值电流下的AlCrTiN涂层。采用XRD、SEM等分析手段表征不同峰值电流下AlCrTiN涂层的组织结构及微观形貌;通过纳米压痕、真空退火、高温摩擦磨损试验分析涂层的力学性能、热稳定性能及摩擦学性能。结果表明:AlCrTiN涂层为典型的面心立方结构,随峰值电流的增加,(111)及(200)晶面呈现竞争生长的状态;随真空退火温度上升,各涂层硬度值出现明显下降。1 000℃退火后,各涂层硬度维持在17 GPa附近;随摩擦环境温度的上升,各涂层摩擦因数整体呈下降趋势;280 A所制备涂层因高温抗氧化性能及磨屑排出能力的不足导致其高温磨损率迅速增加,800℃下其磨损的主要形式为氧化磨损和粘着磨损。     

Fe22Co26Cr20Ni22Ta10高熵合金基复合材料的自润滑性能

共晶高熵合金(EHEAs)具有高温稳定性和良好的力学性能,并有望在高温下应用于摩擦领域.为了研究其高温润滑性能,采用BaF2/CaF2共晶粉末作为润滑相,通过放电等离子烧结制备Fe22Co26Cr20Ni22Ta10?(BaF2/CaF2)x(x=3％～20％,质量分数)复合材料,在室温和高温下测试摩擦性能和力学性能....     

Effect of Ti Incorporation on the Microstructure and Properties of the a-C:H Films Deposited by Magnetron Sputtering Technique

Amorphous hydrogenated carbon(a-C:H)and Ti-incorporated a-C:H(Ti/a-C:H)films were deposited by magnetron sputtering with a mixture gas of CH4 and Ar.The effect of the Ti incorporation on the chemical composition,microstructure and properties of the as-deposited and the annealed films were investigated by various techniques.It has been shown that the bonding structure and the internal stress were sensitive to the incorporation of the Ti atoms.The results of the XPS revealed that the concentration of Ti atom on the surface of the film increased when the Ti/a-C:H film annealed at 300oC.The tribologcial properties of the(Ti/)a-C:H films changed greatly after annealed,due to the graphitization,oxidation of carbon,and so forth.It compared and discussed in detail the change of the microstructure and properties of the a-C:H and Ti/a-C:H films before and after annealed     

Cr掺杂对MoN涂层力学及摩擦学性能的影响

优异的力学和摩擦学性能使 MoN 涂层在箔片空气轴承防护上应用潜力较大,但 MoO3在 500 ℃以上环境下的强挥发性严重影响了其服役寿命。Cr 元素掺杂在提高 MoN 涂层抗氧化性能方面优势显著,然而 Cr 元素掺杂对 MoN 涂层的力学性能、组织结构和中高温摩擦学性能的影响尚不明确。使用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）复合直流磁控溅射（DCMS）技术在不同基体表面制备系列不同 Cr 元素含量的 MoCrN 涂层,利用 SEM、XRD、EDS、纳米压痕设备、维氏压痕、划痕仪、应力仪、拉曼光谱仪和摩擦试验机对涂层的微观结构、物相组成、力学性能与摩擦学性能进行系统研究。结果表明,MoN 涂层由单一 Mo₂N 相组成,MoCrN 涂层由 Mo₂N 与 CrN 构成。随 Cr 元素掺杂含量的增加,Mo₂N 含量降低及压应力下降,导致涂层硬度与韧性单调降低,结合力先增加后下降。其中,Cr 元素掺杂含量为 10.4at.%的样品具有最高的结合力,相较于纯 MoN 涂层提高了 29 N。摩擦学试验发现,随 Cr 元素掺杂含量的增加,由于涂层强韧性降低、鳞片状摩擦层的消失以及摩擦产物的变化,室温摩擦因数和磨损率单调增加;当 Cr 元素掺杂含量为 19.9at.%时,因显著提升了 MoN 涂层抗氧化性能,涂层在 550 ℃下的耐磨性能最佳。研究结果详细对比分析不同 Cr 元素掺杂含量对 MoCrN 涂层力学性能及摩擦学性能的作用规律,揭示了相关影响机制,可为提高 MoN 涂层综合性能提供参考。     

打底层对铝合金表面GLC镀层组织和摩擦学特性的影响

采用非平衡磁控溅射离子镀技术在铝合金表面分别制备了以Cr和Al为打底层,Cr-C和A1-Cr-C为过渡层的Cr/Cr C/类石墨碳(GLC)和Al/Al-Cr-C/GLC复合镀层,并与无打底层制备GLC镀层对比,系统研究了不同镀层微观结构、膜基结合力及摩擦学性能,结果表明,铝合金基体表面Cr打底层呈柱状晶生长,Cr/C过渡层无柱状晶特征,且随过渡层增厚,富Cr区域减少,实现了成分的梯度变化:A1打底层与铝合金基体间为一个整体,没有明显界面;Al Cr-C过渡层的成分也呈梯度变化;采用不同打底层和过渡层时.GLC层均为非晶态结构.较无打底层制备GLC镀层,Cr/Cr-C/GLC和Al/Al-Cr-C/GLC复合镀层与铝合金基底间的膜基结合力显著增强,以Al为打底层的复合镀层的失效临界载荷最大.磨损实验中,在不同载荷条件下2种复合镀层均具有低的摩擦系数.