【摘 要】
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近年来,硬质薄膜的发展备受关注,因其存在硬度低、高温稳定性差、耐蚀性和耐磨损性有待提高等问题制约了更广泛的推广应用。高熵合金具备的特殊结构和优异性能已广受关注,制备高熵合金硬质薄膜有望获得综合性能优异的涂层材料,为硬质薄膜设计提供新思路。本论文通过真空电弧熔炼技术制备AlSiTiVNbCr高熵合金,将其加工为靶材,并与B靶经工装设计,制备出不同硼含量的靶材。利用反应磁控溅射技术在硅和M2高速钢表面
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近年来,硬质薄膜的发展备受关注,因其存在硬度低、高温稳定性差、耐蚀性和耐磨损性有待提高等问题制约了更广泛的推广应用。高熵合金具备的特殊结构和优异性能已广受关注,制备高熵合金硬质薄膜有望获得综合性能优异的涂层材料,为硬质薄膜设计提供新思路。本论文通过真空电弧熔炼技术制备AlSiTiVNbCr高熵合金,将其加工为靶材,并与B靶经工装设计,制备出不同硼含量的靶材。利用反应磁控溅射技术在硅和M2高速钢表面制备(AlSiTiVNbCr Bx)N高熵合金硬质薄膜,研究靶材B含量、溅射功率、负偏压和衬底温度对薄膜显微硬度和结合力的影响,分析靶材硼含量和氮分压对薄膜微观组织结构,表面形貌和力学性能的影响,进一步通过对薄膜过渡层的优化设计,评价其结合力和摩擦磨损性能。结果如下:AlSiTiVNbCr高熵合金靶材中含有FCC、BCC和Laves相结构,有大量板条状、枝晶状析出物,除Al元素外,其他合金元素接近等原子比。正交试验表明,靶材B含量、溅射功率和负偏压与薄膜硬度呈正相关关系,衬底温度相反。薄膜制备的优化工艺为:硼靶数量为4块、溅射功率200W、负偏压200V、衬底温度为200℃,对应的薄膜显微硬度和结合力分别为60GPa和68N。B元素的加入使高熵合金薄膜趋于非晶态结构,因晶粒的细化,薄膜更加的致密和平整,导致薄膜硬度及弹性模量也不断的提高,但薄膜生长速率受硼靶的影响有所降低。氮分压的增加使薄膜结构从非晶态转变为单相FCC结构,受氮分压影响,溅射离子的轰击能量有所减弱而使晶粒尺寸、孔隙率和粗糙度均有所增加;空隙的存在导致薄膜在载荷作用下抵抗变形的能力降低,大的氮气分压下薄膜的综合力学性能也因此而降低。薄膜在氮氩比4:5时的生长速率较氮氩比1:5时的降低了近一倍。以Cr/CrN为过渡层,(AlSiTiVNbCr B4)N薄膜于M2高速钢基底上获得最佳结合力。该高熵硬质薄膜与Si3N4对磨时耐磨性更好,没有出现明显的黏着现象,摩擦系数为0.58,低于基底材料的0.78;在切削液和海水环境下该薄膜的摩擦磨损性能优于传统的Ti N和CrN硬质薄膜。
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