一种高硬高韧类岩石结构陶瓷-金属纳米多层薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于功能薄膜材料技术领域，本发明专利技术公开了一种高硬高韧类岩石结构陶瓷

【技术实现步骤摘要】
一种高硬高韧类岩石结构陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及功能薄膜材料
，尤其涉及一种高硬高韧类岩石结构陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]航空发动机是建设巩固国防和强大军队的重要保障，是战略科技力量的重要体现。压气机作为航空发动机关键部件之一，其技术水平对航空发动机的发展有着重要影响。压气机通过对进入发动机的空气做功提高其压力，为燃烧室提供高压空气，来提高发动机热力循环效率。然而，压气机叶片在服役过程中不可避免地会受到砂尘等固体粒子的冲蚀破坏，极大地缩短了发动机的服役寿命。在叶片表面制备高硬度、高韧性的防护涂层是保护压气机叶片的有效措施。陶瓷类薄膜材料，如过渡金属碳化物或过渡金属氮化物，由于具有耐高温、高硬度、高模量、耐磨损和耐腐蚀等性能，被广泛应用于发动机叶片保护涂层。然而，陶瓷类薄膜材料的高硬度也会使其具有较高的脆性。而脆性断裂的不可预测性在实际应用中会造成灾难性的破坏，所以提高陶瓷类薄膜材料抵抗脆性断裂的能力非常重要。韧性是表征材料抵抗裂纹扩展的性能。陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜通过金属层塑性变形释放能量以及界面对裂纹扩展的阻碍等方式实现了较高的韧性。此外，陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜由于具有良好的力学、物理和化学性能，即使在苛刻的工作环境和极端的载荷等条件下仍然能够正常使用，因此受到人们的广泛关注与研究。对于多层材料，裂纹扩展过程中沿界面偏转是一种非常重要的增韧机制。根据理论断裂力学预测，当多层薄膜中存在弯曲界面且两层材料的杨氏模量比满足一定条件时，裂纹倾向于沿着弯曲界面进行扩展。当裂纹沿弯曲界面扩展时，将释放大量的能量，进而改善多层薄膜的断裂韧性。而且，弯曲界面对裂纹尖端具有一定的屏蔽效应，有助于降低裂纹尖端的应力集中。因此，弯曲界面对于多层薄膜韧性改善具有非常重要的意义。本领域亟需发展可以提高陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜韧性的方法。
[0003]最近，类岩石结构作为一种新型结构形式，为材料微观结构构筑提供了极具潜力的设计方案，引起了科研工作者的关注。这主要是因为该结构可以有效的耗散外界能量，即在结构材料中复制该结构可以极大的提高其断裂韧性。但是，将具有弯曲界面的类岩石结构引入陶瓷类纳米多层薄膜中的研究未见报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的为提供一种高硬高韧类岩石结构陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜及其制备方法与应用，以解决现有的压气机叶片用防护涂层的断裂韧性差，无法满足其在严苛条件下工作的要求的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种高硬高韧类岩石结构陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜的制备方法，包
括如下步骤：
[0007]将陶瓷层和金属层交替沉积于衬底上，得到陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜；所述陶瓷层为TaC；所述金属层为TiNi合金；每层陶瓷层和每层金属层的厚度独立的为5～10nm；所述陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜的厚度为1～1.5μm。
[0008]作为优选，所述沉积的过程中，沉积的第一层为陶瓷层；陶瓷层和金属层各沉积1次为1个周期，沉积的周期数为50～120。
[0009]作为优选，所述衬底为硅片、不锈钢片或蓝宝石片。
[0010]作为优选，所述沉积采用磁控溅射技术；
[0011]所述沉积的参数如下：溅射A靶为TaC；溅射A靶的沉积率为10～15nm/min；溅射A靶的电流为0.5～0.8A，溅射A靶的电压为270～470V；溅射B靶为TiNi合金，Ti和Ni的原子比为1：1；
[0012]溅射B靶的沉积率为8～10nm/min；溅射B靶的电流为0.1～0.2A，溅射B靶的电压为250～450V；真空度≤4
×
10
‑4Pa；压强为0.5～1.2Pa；
[0013]溅射气体为氩气，溅射气体的流量为50～80sccm，衬底和溅射靶材的距离独立的为8～10cm；衬底的温度为700～800℃。
[0014]作为优选，所述沉积前，对衬底顺次进行洗涤和干燥。
[0015]作为优选，洗涤所用试剂为丙酮、乙醇和水；干燥的温度为40～60℃，干燥的时间为1～1.5h。
[0016]本专利技术还提供了所述高硬高韧类岩石结构陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜的制备方法制备得到的陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜。
[0017]本专利技术还提供了所述陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜在压气机叶片防护涂层中的应用。
[0018]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术有益效果如下：
[0019](1)本专利技术利用磁控溅射沉积技术，在高温条件下交替沉积陶瓷层和金属层，由于陶瓷与金属之间的晶格失配导致金属由层状生长模式转变为层岛混合生长模式，所以在陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜中获得了具有弯曲界面的类岩石结构；
[0020](2)由于陶瓷层和金属层的层层交替沉积，使得陶瓷层中柱状晶得到细化，所以陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜的微观结构较为致密，可以改善陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜的硬度；
[0021](3)由于弯曲界面的存在，使得裂纹在扩展过程中更倾向于沿着界面扩展，裂纹扩展过程中沿界面偏转，消耗大量能量；而且弯曲界面对裂纹尖端的屏蔽作用有效地减低裂纹尖端应力集中，可以极大地提高陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜的断裂韧性；相较于陶瓷单层薄膜，具有弯曲界面的类岩石结构陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜的断裂韧性得到极大的改善。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0023]图1为本专利技术所述沉积的流程示意图；
[0024]图2为实施例1所得陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜的截面TEM图，其中，(b)为(a)的局部
放大图；
[0025]图3为实施例1所得陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜和对比例1所得陶瓷纳米单层薄膜的断裂韧性、硬度和模量的柱状图；
[0026]图4为实施例1所得陶瓷
‑
金属纳米多层薄膜和对比例1所得陶瓷纳米单层薄膜的微米压痕的SEM图，其中，(a)为对比例1，(b)为实施例1。
具体实施方式
[0027]本专利技术提供了一种高硬高韧类岩石结构陶瓷
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金属纳米多层薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0028]将陶瓷层和金属层交替沉积于衬底上，得到陶瓷
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高硬高韧类岩石结构陶瓷
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金属纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将陶瓷层和金属层交替沉积于衬底上，得到陶瓷
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金属纳米多层薄膜；所述陶瓷层为TaC；所述金属层为TiNi合金；每层陶瓷层和每层金属层的厚度独立的为5～10nm；所述陶瓷
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金属纳米多层薄膜的厚度为1～1.5μm。2.根据权利要求1所述高硬高韧类岩石结构陶瓷
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金属纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于，所述沉积的过程中，沉积的第一层为陶瓷层；陶瓷层和金属层各沉积1次为1个周期，沉积的周期数为50～120。3.根据权利要求2所述高硬高韧类岩石结构陶瓷
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金属纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅片、不锈钢片或蓝宝石片。4.根据权利要求1～3任一项所述高硬高韧类岩石结构陶瓷
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金属纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于，所述沉积采用磁控溅射技术；所述沉积的参数如下：溅射A靶为TaC；溅射A靶的沉积率为10～15nm/min；溅射A靶的电流为0.5～0.8A，溅射A靶的电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：文懋，郝俊，王龙鹏，庞昊鹏，张侃，郑伟涛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：