一种用于制备非晶包覆纳米晶合金薄膜的靶材、其制备方法及其应用

本发明涉及合金靶材，尤其涉及一种用于制备非晶包覆纳米晶合金薄膜的靶材、其制备方法及其应用。

背景技术：

1、纳米晶材料(晶粒尺寸d<100nm)在结构上以晶粒细小为主要特征，大量晶界的存在使纳米晶材料强度较高，但由于晶界处缺乏长程有序的晶体结构，极易导致晶粒旋转、晶界滑移和晶界扩散等晶界软化机制主控的变形，导致纳米晶材料力学性能的降低。向纳米晶合金的晶界处引入非晶相后，材料的变形机制从晶界激活模式转变为剪切带激活模式，有望大幅度改善由晶界软化机制造成的材料硬度和抗蠕变变形等性能的降低现象。

2、然而，非晶包覆纳米晶的双相结构薄膜使用单一传统合金材料难以制备，作为在探索非晶合金基础上发现的新型“化学无序”多组元固溶体合金(高熵合金)，其特有的高晶格畸变、高弹性错配和缓慢扩散效应，结合磁控溅射镀膜时凝固冷却速率快，形核速率高，易于形成细小的纳米晶或非晶结构的优势，为制备非晶包覆纳米晶双相材料提供了可能。但是即使选用高熵合金靶材，也难以直接通过磁控溅射技术直接获得非晶包覆纳米晶的双相结构，调控磁控溅射参数易于得到纳米晶，或者纳米晶中分布少许非晶相，因此，高熵合金靶材成分的设计决定了是否能够制备得到非晶包覆纳米晶的合金薄膜。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题在于提供一种用于制备合金薄膜的靶材，本申请提供的靶材可制备非晶包覆纳米晶结构的合金薄膜，且合金薄膜具有优异的力学性能。

2、有鉴于此，本申请提供了一种用于制备非晶包覆纳米晶合金薄膜的靶材，以原子百分比计，包括：cr：12～25％，mn：16～30％，fe：10～23％，co：9～22％，ni：10～26％，且cr、mn、fe、co和ni的原子百分比互不相等。

3、优选的，cr的含量为15～20％，mn的含量为18～25％。

4、优选的，fe的含量为12～22％，co的含量为11～20％，ni的含量为12～24％。

5、本申请还提供了所述的靶材的制备方法，包括以下步骤：

6、将cr、mn、fe、co和ni按照原子百分比配比混合后进行机械合金化，得到合金粉末；

7、将所述合金粉末进行烧结，得到靶材。

8、优选的，所述合金粉末的制备过程具体为：

9、将按原子百分比配比配制的混合粉末超声清洗20～40min；

10、将清洗后的粉末进行干燥，所述干燥的真空度为1×10-4pa～1×10-5pa，所述干燥的温度为60～100℃，所述干燥的时间为3～8h；

11、将干燥后的粉末进行球磨，得到合金粉末。

12、优选的，所述得到靶材的步骤具体为：

13、将所述合金粉末进行预压，得到初始靶材；

14、将所述初始靶材进行放电等离子烧结，得到靶材。

15、优选的，所述预压的压力为10mpa～20mpa，时间为1～5h。

16、优选的，所述放电等离子烧结于8×10-4pa～5×10-5pa的真空度下进行，所述放电等离子烧结的压力为20～50mpa，所述放电等离子烧结的温度为600℃～1000℃，烧结前的升温速率和烧结后的降温速率分别为40℃/min～80℃/min，所述烧结的保温时间为10min～25min。

17、本申请还提供了一种非晶包覆纳米晶合金薄膜的制备方法，包括：

18、将靶材在基底上进行磁控溅射，得到非晶包覆纳米晶合金薄膜；

19、所述靶材为所述的靶材或所述的制备方法所制备的靶材。

20、优选的，所述基底为单晶硅；所述磁控溅射为间歇磁控溅射，电源为射频电源，功率为80w～120w，单次溅射时长为10min～20min，两次溅射过程间间歇5min～10min；所述溅射的气体为氩气，纯度≥99.999％，溅射腔内压强为0.1pa～1pa；所述合金薄膜的厚度为500nm～1μm，其中非晶层厚度为1nm～3nm，晶粒尺寸小于10nm。

21、本申请提供了一种用于制备非晶包覆纳米晶合金薄膜的靶材，以原子百分比计，包括：cr：12～25％，mn：16～30％，fe：10～23％，co：9～22％，ni：10～26％，且cr、mn、fe、co和ni的原子百分比互不相等。本申请提供的靶材通过调整cr、mn、fe、co和ni的配比关系，使得靶材通过磁控溅射可以得到非晶包覆纳米晶双相结构的合金薄膜，其中，合金薄膜的纳米晶晶粒尺寸小于10nm，非晶层厚度为1nm～3nm；合金薄膜为1μm时强度高达8.95gpa，显著高于其他高熵合金薄膜，且具有优异的蠕变变形抗力。

22、另一方面，本申请提供了靶材的制备方法，其包括依次进行的原料混合-机械合金化-烧结，该方法制备的靶材纯度高、结构致密。

技术特征：

1.一种用于制备非晶包覆纳米晶合金薄膜的靶材，以原子百分比计，包括：cr：12～25％，mn：16～30％，fe：10～23％，co：9～22％，ni：10～26％，且cr、mn、fe、co和ni的原子百分比互不相等。

2.根据权利要求1所述的靶材，其特征在于，cr的含量为15～20％，mn的含量为18～25％。

3.根据权利要求1所述的靶材，其特征在于，fe的含量为12～22％，co的含量为11～20％，ni的含量为12～24％。

4.权利要求1所述的靶材的制备方法，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述合金粉末的制备过程具体为：

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述得到靶材的步骤具体为：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述预压的压力为10mpa～20mpa，时间为1～5h。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结于8×10-4pa～5×10-5pa的真空度下进行，所述放电等离子烧结的压力为20～50mpa，所述放电等离子烧结的温度为600℃～1000℃，烧结前的升温速率和烧结后的降温速率分别为40℃/min～80℃/min，所述烧结的保温时间为10min～25min。

9.一种非晶包覆纳米晶合金薄膜的制备方法，包括：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述基底为单晶硅；所述磁控溅射为间歇磁控溅射，电源为射频电源，功率为80w～120w，单次溅射时长为10min～20min，两次溅射过程间间歇5min～10min；所述溅射的气体为氩气，纯度≥99.999％，溅射腔内压强为0.1pa～1pa；所述合金薄膜的厚度为500nm～1μm，其中非晶层厚度为1nm～3nm，晶粒尺寸小于10nm。

技术总结本发明提供了一种用于制备非晶包覆纳米晶合金薄膜的靶材，以原子百分比计，包括：Cr：12～25％，Mn：16～30％，Fe：10～23％，Co：9～22％，Ni：10～26％，且Cr、Mn、Fe、Co和Ni的原子百分比互不相等。本申请还提供了靶材的制备方法。本申请还提供了一种非晶包覆纳米晶合金薄膜的制备方法。本申请提供的靶材纯度高、结构致密、且使用该靶材溅射的薄膜具有非晶包覆纳米晶的双相结构，薄膜的晶体相晶粒尺寸小于10nm，非晶层厚度为1～3nm。本发明为实现高稳定性高强度等优异性能纳米晶合金薄膜的制备奠定了基础，拓宽了纳米晶合金薄膜的应用范围。技术研发人员：肖丽丽,孙凯,潘文高,孟兆洁,杜娟,史荣豪,张国赏,岳鹏飞,宋克兴受保护的技术使用者：河南省科学院技术研发日：技术公布日：2024/11/14