一种高熵合金表面碳化物/金刚石涂层及其制备方法技术

一种高熵合金表面碳化物/金刚石涂层及其制备方法，所述合金以Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Mo金属元素中任意n种元素为原料，n=4或5或6，按照等原子比例配比后，在真空非自耗电弧熔炼炉中熔炼6‑8遍，获得n元等原子比例合金,通过微波等离子体化学气相沉积碳化处理，n元等原子比例合金形成n元等原子比例合金碳化物/金刚石涂层。所制备得到的碳化物/金刚石涂层具有优异的表面耐磨性。

【技术实现步骤摘要】
一种高熵合金表面碳化物/金刚石涂层及其制备方法
本专利技术属于高熵合金表面硬质涂层领域，具体涉及一种高熵合金表面碳化物涂层/金刚石涂层材料的制备方法。
技术介绍
高熵材料是由五种或以上元素按照等原子比或近等原子比的原则混合成得简单固溶体材料，通常具有独特的效应（如高熵效应，迟滞扩散效应，晶格畸变效应、鸡尾酒效应）使其获得传统材料无法比拟的性能优点。例如CrMnFeCoNi高熵合金具有优异的力学性能，高熵氮化物、碳化物、氧化物等陶瓷具有高熔点、高硬度、耐磨性、抗腐蚀等性能。因此，高熵材料领域已成为国内外研究的热点。强亲碳元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Mo等与碳形成的碳化为陶瓷通常具有高硬度、高模量、高温力学性能优异等特点。近几年来，研究者基于高熵材料设计思路，开发出金属碳化物高熵陶瓷材料，如(ZrTaNb)C、(HfTaZrNb)C、(TiZrHfNbTa)C。常通过机械混合单质碳化物(如TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC和VC等)、SPS烧结的方法获得高熵陶瓷材料，如文献CeramicsInternational,44(17)(2018):22014，专利CN108439986A中制备的(HfTaZrTiNb)C高熵碳化物均采用该方法。但是，这种方法易引入杂质元素，且晶粒尺寸大、微观缺陷等的存在严重影响了其性能。另一方面，金刚石由于独特的原子排列具有极高的硬度、极高的热导率低等优异的性能，作为耐磨材料、或耐磨涂层在工业上具有广泛的应用。如何将高熵合金、陶瓷涂层和金刚石膜的优点结合起来。上述材料和制备方法中没有涉及高熵合金表面碳化物/金刚石涂层及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供提高材料的表面硬度、耐磨性的一种在高熵合金表面形成碳化物/金刚石膜及其制备方法。该方法以亲碳元素熔制高熵合金，通过微波等离子体碳化工艺在高熵合金表面形成碳化物/金刚石涂层。一种高熵合金表面碳化物/金刚石涂层的制备方法，包括下述步骤：第一步，用机械法去除原料金属表层氧化物，原料配比和量取：以Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Mo等高纯金属中的任意四种至六种为原料，按照等原子比例计算、称量、配料，并用超声波、酒精清洗后吹干。第二步，合金熔炼：将上一步准备好的原料金属按照熔点由高到低的顺序堆放在电弧熔炼炉中，抽真空5.0×10-3Pa以下后，充入氩气至0.3个大气压；引弧进行熔炼，反复反转合金锭6-8遍，获得高熵合金锭（四元等原子比例合金、五元等原子比例合金、六元等原子比例合金）。四元等原子比例合金包括TiaZraHfaNba；TiaZraHfaTaa；TiaZraHfaVa；TiaZraHfaMoa；TiaZraNbaTaa；TiaZraNbaVa；TiaZraNbaMoa；TiaHfaNbaTaa；TiaHfaNbaVa；TiaHfaNbaMoa；ZraHfaNbaTaa；ZraHfaNbaVa；ZraHfaNbaMoa；HfaNbaTaaVa；HfaNbaTaaMoa；NbaTaaVaMoa；其中a=1/4；所述五元等原子比例合金包括TibZrbHfbNbbTab；TibZrbHfbNbbVb；TibZrbHfbNbbMob；TibHfbNbbTabVb；TibHfbNbbTabMob；TibHfbNbbVbMob；TibZrbNbbTabVb；TibZrbNbbTabMob；TibZrbHfbTabMob；TibZrbHfbTabVb；TibNbbTabVbMob；ZrbHfbNbbTabMob；ZrbHfbNbbTabVb；HfbNbbTabVbMob；其中b=1/5；所述六元等原子比例合金包括TicZrcHfcNbcTacVc；TicHfcNbcVcMocTac；TicZrcNbcTacVcMoc；TicZrcHfcNbcMocVc；TicZrcVcHfcTacMoc；TicZrcNbcMocTacHfc；ZrcNbcTacMocHfcVc；其中下角标c=1/6；第三步，打磨抛光：将高熵合金锭切割成一定尺寸，并过标准的打磨、抛光工艺处理，酒精清洗干净、吹干后，置于微波等离子化学气相沉积装置内。第四步，碳化处理：利用机械泵把腔体真空抽到5Pa以下，通入氢气（纯度为99.9999%）、流量为400sccm、气压达到0.8KPa时打开微波电源（功率为0.6kW），随后升高气压和功率，待功率达到2.0kW-4kW、气压为6kPa，通入甲烷浓度为0.1%-10%（纯度为99.999%）、时间为5min-60min、进行碳化及渗碳处理形成n元等原子比例合金碳化物。结果碳化处理后四元等原子比例合金碳化物分子式为(TiaZraHfaNba)C；(TiaZraHfaTaa)C；(TiaZraHfaVa)C；(TiaZraHfaMoa)C；(TiaZraNbaTaa)C；TiaZraNbaVa)C；(TiaZraNbaMoa)C；(TiaHfaNbaTaa)C；(TiaHfaNbaVa)C；(TiaHfaNbaMoa)C；ZraHfaNbaTaa)C；(ZraHfaNbaVa)C；(ZraHfaNbaMoa)C；(HfaNbaTaaVa)C；(HfaNbaTaaMoa)C；(NbaTaaVaMoa)C；五元等原子比例合金碳化物分子式为(TibZrbHfbNbbTab)C；(TibZrbHfbNbbVb)C；(TibZrbHfbNbbMob)C；(TibHfbNbbTabVb)C；(TibHfbNbbTabMob)C；(TibHfbNbbVbMob)C；(TibZrbNbbTabVb)C；(TibZrbNbbTabMob)C；(TibZrbHfbTabMob)C；(TibZrbHfbTabVb)C；(TibNbbTabVbMob)C；(ZrbHfbNbbTabMob)C；(ZrbHfbNbbTabVb)C；(HfbNbbTabVbMob)C；六元等原子比例合金碳化物分子式为(TicZrcHfcNbcTacVc)C；(TicHfcNbcVcMocTac)C；(TicZrcNbcTacVcMoc)C；(TicZrcHfcNbcMocVc)C；(TicZrcVcHfcTacMoc)C；(TicZrcNbcMocTacHfc)C；(ZrcNbcTacMocHfcVc)C。第五步，保温结束后，逐步降低功率直至为零，关闭电源。本专利技术的有益效果和优点在于：本专利技术所提供的一种高熵合金表面碳化物/金刚石涂层及其制备方法适用于较宽泛的衬底材料成分范围的制备条件；本专利技术在亲碳元素组成的高熵合金表面所制备得到的碳化物/金刚石涂层具有良好的耐磨性，具有广泛的工程应用前景。附图说明图1为实施例1中TiZrHfNb合金基材、CH4浓度1%、功率3kw碳化10min所得(TiZrHfNb)C的XRD衍射图谱。图2为实施例1中TiZrHfNb基材所得(TiZrHfNb)C的SEM表面形貌图。图3为实施例图1中TiZ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高熵合金表面碳化物/金刚石涂层，其特征在于，所述合金以Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Mo金属元素中任意n种元素为原料，n=4或5或6，按照等原子比例配比后，在熔炼炉中熔炼6-8遍，获得n元等原子比例合金,通过微波等离子体化学气相沉积碳化处理，n元等原子比例合金形成n元等原子比例合金碳化物/金刚石涂层；/n四元等原子比例合金包括Ti

【技术特征摘要】
1.一种高熵合金表面碳化物/金刚石涂层，其特征在于，所述合金以Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Mo金属元素中任意n种元素为原料，n=4或5或6，按照等原子比例配比后，在熔炼炉中熔炼6-8遍，获得n元等原子比例合金,通过微波等离子体化学气相沉积碳化处理，n元等原子比例合金形成n元等原子比例合金碳化物/金刚石涂层；
四元等原子比例合金包括TiaZraHfaNba；TiaZraHfaTaa；TiaZraHfaVa；TiaZraHfaMoa；TiaZraNbaTaa；TiaZraNbaVa；TiaZraNbaMoa；TiaHfaNbaTaa；TiaHfaNbaVa；TiaHfaNbaMoa；ZraHfaNbaTaa；ZraHfaNbaVa；ZraHfaNbaMoa；HfaNbaTaaVa；HfaNbaTaaMoa；NbaTaaVaMoa；其中a=1/4；
所述五元等原子比例合金包括TibZrbHfbNbbTab；TibZrbHfbNbbVb；TibZrbHfbNbbMob；TibHfbNbbTabVb；TibHfbNbbTabMob；TibHfbNbbVbMob；TibZrbNbbTabVb；TibZrbNbbTabMob；TibZrbHfbTabMob；TibZrbHfbTabVb；TibNbbTabVbMob；ZrbHfbNbbTabMob；ZrbHfbNbbTabVb；HfbNbbTabVbMob；其中b=1/5；
所述六元等原子比例合金包括TicZrcHfcNbcTacVc；TicHfcNbcVcMocTac；TicZrcNbcTacVcMoc；TicZrcHfcNbcMocVc；TicZrcVcHfcTacMoc；TicZrcNbcMocTacHfc；ZrcNbcTacMocHfcVc；其中c=1/6；
结果碳化处理后四元等原子比例合金碳化物分子式为(TiaZraHfaNba)C；(TiaZraHfaTaa)C；(TiaZraHfaVa)C；(TiaZraHfaMoa)C；(TiaZraNbaTaa)C；TiaZraNbaVa)C；(TiaZraNbaMoa)C；(TiaHfaNbaTaa)C；(TiaHfaNbaVa)C；(TiaHfaNbaMoa)C；ZraHfaNbaTaa)C；(ZraHfaNbaVa)C；(ZraHfaNbaMoa)C；(HfaNbaTaaVa)C；(HfaNbaTaaMoa)C；(NbaTaaVaMoa...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永胜，于盛旺，薛晨，黑鸿君，马永，高洁，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14