一种高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层及其制备方法

本发明涉及一种高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层及其制备方法，属于新型硬质保护涂层。

背景技术：

1、由于高熵陶瓷具有高硬度、高耐磨性和优异的耐腐蚀性等性能，因此被广泛用作超硬涂层、刀具表面保护和机械摩擦部件。然而，随着机械工业的迅速发展，对于传统的工具涂层，仅仅改善工具表面的硬度满足不了人们对于工件使用寿命的要求，有效减少工件表面的摩擦磨损，提高工件表面耐磨损性能，是目前材料学科重要研究方向之一。

2、纳米多层膜的提出和发现很大程度上解决了制造工业尤其是刀具涂层对硬质薄膜高性能的要求。纳米多层膜的概念最初是在1970年由koehler首先从理论上提出来的，这类材料是由两种或两种以上具有不同成分或结构的材料在薄膜生长方向上以纳米量级相互交替沉积而形成的多层结构。在由两层交替沉积的纳米多层膜中，通常一层膜的厚度要超过另外一层，其中较厚的层被称为主体层，也称为模板层，较薄的层被称作调制层，也即插入层。其中每相邻两层形成一个基本重复单元，其厚度是多层膜的调制周期(^)。通常，^不超过100nm。调制层a和b的厚度之比称为调制比。在纳米多层膜中存在着大量的相界面，因此膜层的韧性会增加，从而使多层膜的耐磨性能提升。选择合适的沉积材料或者固体润滑材料可以达到提高耐磨性的目的。

3、因此，本领域亟需一种可以提高工具涂层耐磨损性能的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决现有技术中工件表面的摩擦磨损大问题。

2、为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层及其制备方法。

3、本发明的第一方面，提供了一种高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1、清洗基底：首先将经抛光处理后的基底进行超声清洗，然后进行离子清洗；

5、步骤2、(tizrtawvnb)n/mos2纳米多层结构涂层的制备：

6、将基底置入反应磁控溅射仪并分别停留在tizrtawvnb高熵合金靶材和mos2靶材之上，通过反应磁控溅射沉积获得(tizrtawvnb)n/mos2纳米多层结构涂层，通过控制在mos2靶材上面停留时间控制mos2层厚度，得到高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层。

7、其中，模板层为(tizrtawvnb)n，调制层为mos2。

8、优选地，所述的步骤1中，基底为金属、硬质合金、陶瓷或单晶si。

9、优选地，所述的步骤1中，所述的超声清洗中，使用分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30khz超声波进行清洗15min。

10、优选地，所述的步骤1中，所述的离子清洗即将基底装进真空室，抽真空到4×10-3pa后通入氩气，维持真空度在2-4pa，用氩离子轰击靶材10min。

11、优选地，所述的步骤2中，tizrtawvnb高熵合金靶材为直流靶，mos2靶材为射频靶，靶材直径为75mm，厚度为3mm。

12、优选地，所述的步骤2中，所述的反应磁控溅射仪直流溅射功率180w，射频溅射功率100w。

13、优选地，所述的步骤2中，所述的基底在tizrtawvnb高熵合金靶材靶材上面停留时间为15s，在mos2靶材上面停留时间为2s、4s、6s、8s或10s，一共180r；靶材基底距离50mm；总气压范围0.5pa。

14、本发明的第二方面，提供了一种通过上述方法制备的得到的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层，其硬度和弹性模量最高分别达到18.6gpa和202.6gpa，摩擦系数为0.43，断裂韧性值达到1.561mpa·m1/2。

15、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

16、本发明的一种高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层，根据纳米涂层的变形机制，当调制层mos2的厚度为0.6nm时，调制层和模板层共格外延生长。本发明在(tizrtawvnb)n/mos2纳米多层结构涂层制备中，通过控制调制层mos2的厚度，使调制层转变为具有模板层相同的晶格结构，使涂层界面形成共格外延生长形貌。

17、另外，本发明的一种高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其制备过程具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优点，适于规模化生产。

技术特征：

1.一种高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，基底为金属、硬质合金、陶瓷或单晶si。

3.如权利要求1所述的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的超声清洗中，使用分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30khz超声波进行清洗15min。

4.如权利要求1所述的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的离子清洗即将基底装进真空室，抽真空到4×10-3pa后通入氩气，维持真空度在2-4pa，用氩离子轰击靶材10min。

5.如权利要求1所述的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，tizrtawvnb高熵合金靶材为直流靶，mos2靶材为射频靶，靶材直径为75mm，厚度为3mm。

6.如权利要求1所述的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的反应磁控溅射仪直流溅射功率180w，射频溅射功率100w。

7.如权利要求1所述的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的基底在tizrtawvnb高熵合金靶材靶材上面停留时间为15s，在mos2靶材上面停留时间为2s、4s、6s、8s或10s，一共180r；靶材基底距离50mm；总气压范围0.5pa。

8.一种通过权利要求1～7中任一项所述的制备方法得到的高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层，其特征在于，其硬度和弹性模量最高分别达到18.6gpa和202.6gpa，摩擦系数为0.43，断裂韧性值达到1.561mpa·m1/2。

技术总结本发明提供了一种高性能高熵陶瓷基纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，包括清洗基底及(TiZrTaWVNb)N/MoS<subgt;2</subgt;纳米多层结构涂层的制备，属于新型硬质保护涂层技术领域。本发明在(TiZrTaWVNb)N/MoS<subgt;2</subgt;纳米多层结构涂层制备中，通过控制调制层MoS<subgt;2</subgt;的厚度，使调制层转变为具有模板层相同的晶格结构，使涂层界面形成共格外延生长形貌，其制备过程具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优点，适于规模化生产。技术研发人员：李伟,郑伟萍,刘平,王静静,马迅,马凤仓,张柯受保护的技术使用者：上海理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13