一种具有高硬度的氮饱和AlNbTiZrN耐磨涂层及其制备方法

本发明属于高熵合金涂层及其制备，具体涉及一种具有良好力学性能和耐磨性的氮饱和alnbtizrn高熵合金涂层及其制备方法。

背景技术：

1、随着机械装置大量应用在传统手工工业和新型科技领域，滚动轴承等关键部件的服役工况也变得愈加复杂，在面临高速、重载等多因素耦合的苛刻工况时，滚动轴承等关键部件表面失效成为制约机械装置发展的关键因素。没有表面涂层保护的关键部件，其服役寿命大大缩短，因此关键部件表面防护涂层的力学和摩擦学性能对关键部件的工作性能和服役寿命有重要影响。

2、随着各产业自动化的进一步发展，各种表面强化技术快速发展，电镀等对环境不利的传统涂层技术随着人们对涂层性能和环保要求的不断提高已经逐渐被时代淘汰，但磁控溅射涂层凭借其可控性高、沉积温度低、可镀基体材料广泛且具有良好的力学性能和优异的摩擦学性能，近年来得到大量应用。

3、传统的单一金属或合金涂层在很多情况下难以满足日益严苛的使用要求。例如，在机械加工、航空航天、石油化工等行业中，零部件表面常常遭受高温、高压、摩擦、腐蚀等多种因素的影响。传统涂层可能存在硬度不够高、耐磨性欠佳、耐腐蚀性不足等问题，导致零部件的使用寿命缩短，增加了维护成本和生产风险。

4、随着对涂层材料性能的深入研究，人们发现高熵合金涂层具有独特的结构和优异的性能，在涂层领域具有巨大的应用潜力。

技术实现思路

1、本发明是要解决传统涂层存在硬度不够高、耐磨性欠佳、耐腐蚀性不足等问题，而提供一种具有良好力学和摩擦学性能的高熵合金涂层及其制备方法。

2、本发明具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层是由alnbtizr靶材磁控溅射沉积而成，该氮饱和alnbtizrn耐磨涂层由al、nb、ti、zr和n元素组成，各元素的原子百分比含量为：al：18.00at％～34.00at％，nb：12.00at％～27.00at％，ti：10.90at％～13.48at％，zr：10.94at％～25.52at％，n：32.16at％～48.16at％。

3、本发明氮饱和alnbtizrn耐磨涂层中n元素含量优化为44.33at.％～48.16at％，al、nb、ti、zr和n元素的原子百分比含量总和为100％。

4、本发明具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法按照以下步骤实现：

5、s1、基片处理：

6、采用乙醇或丙酮对基片进行超声清洗，干燥后得到清洗后的基片；

7、s2、装片：

8、将清洗后的基片装在旋转工装上，送入磁控溅射装置的真空仓中，抽真空；

9、s3、加热：

10、将真空仓加热至200～205℃，再次进行抽真空；

11、s4、基片清洗：

12、向真空仓内通入氩气，对基片进行等离子清洗；

13、s5、涂层预沉积：

14、以alnbtizr合金作为靶材，将氩气流量增加至100～140sccm，控制沉积气压为0.8～1.5pa，设置偏压电源的电压为100～200v，开启偏压电源，随后开启直流脉冲电源，进行预沉积2～5min；

15、s6、涂层沉积：

16、在预沉积结束后，保持直流脉冲电源开启，逐渐减少氩气流量，增加氮气流量，控制氩气流量为110～120sccm，控制氮气流量为3～6sccm，保持沉积气压为0.8～1.5pa，进行气相沉积；

17、s7、冷却：待真空仓温度逐渐冷却至室温，通入大气后，取出基片，在基片上沉积得到具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层。

18、本发明具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法中在涂层沉积的过程中，需要控制氮气的流量，以使alnbtizr涂层达到氮(过)饱和状态。本发明alnbtizrn耐磨涂层中al、nb、ti和zr元素与氮元素的亲和性较高，实现低氮气氛围下涂层内高含量的氮含量。高氮含量使得涂层内部晶格原子偏离平衡位置，即发生晶格畸变，从而增加局部内应力，抑制涂层内部位错运动，同时平均晶粒尺寸的减小导致薄膜的内部组织更致密，从而增加硬度。涂层耐磨性受涂层硬度、弹性变形和抗塑性变形能力的影响，高氮含量使涂层具有更高的硬度和断裂韧性，从而使涂层具有更好的耐磨性。此外，在摩擦过程中生成的氧化物和氧化膜能够起到一定的润滑作用，从而减小摩擦磨损，提高了高熵合金涂层的力学性能和耐磨性能。

19、本发明具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层及其制备方法包括以下有益效果：

20、1、本发明提供了一种具有良好力学性能和耐磨性的alnbtizrn高熵合金涂层，所述高熵合金涂层主要由fcc固溶体相组成，合金组织均匀，在高温合金涂层领域具有广阔的应用前景。

21、2、在合金涂层中加入氮(n)元素，形成fcc结构的氮化物固溶体，有利于提升涂层硬度。

22、3、该合金涂层的四种金属元素：铝(al)、铌(nb)、钛(ti)、锆(zr)，可以在摩擦过程中生成tio2、nb2o5、al2o3、zro2四种氧化物，有利于减小摩擦。

23、4、该合金涂层的特点在于其具有高氮含量，在氮气流量为12sccm时，氮含量达到饱和，且随着氮含量进一步增加，氮含量趋于稳定，达到氮饱和状态。这有利于提升alnbtizrn涂层的硬度和模量。本发明制备的alnbtizrn高熵合金涂层的硬度为9～33gpa，弹性模量为145～469gpa。

24、5、本发明制备的alnbtizrn高熵合金涂层能提高涂层与基体的结合强度和整体强度，使pvd涂层表现出优越的力学性能和良好的耐磨性能。本发明制备的alnbtizrn高熵合金涂层的摩擦系数为0.55～0.72，磨损率为8.95×10-8～7.78×10-7mm3·n-1·mm-1。

技术特征：

1.一种具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层，其特征在于所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层是由alnbtizr靶材磁控溅射沉积而成，该氮饱和alnbtizrn耐磨涂层由al、nb、ti、zr和n元素组成，各元素的原子百分比含量为：al：18.00at％～34.00at％，nb：12.00at％～27.00at％，ti：10.90at％～13.48at％，zr：10.94at％～25.52at％，n：32.16at％～48.16at％。

2.如权利要求1所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于该制备方法按照以下步骤实现：

3.根据权利要求2所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤s1中基片的材质为单质金属、陶瓷或者合金材料。

4.根据权利要求2所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤s3中再次抽真空至3×10-3pa。

5.根据权利要求2所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤s4中等离子清洗过程如下：

6.根据权利要求5所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于设置离子源电源参数为：电流为0.3a，占空比为70％。

7.根据权利要求5所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于设置偏压电源参数为：电压为800v，占空比为50％。

8.根据权利要求2所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤s5中控制直流脉冲电源参数为：功率为800～1200w，占空比为70％。

9.根据权利要求2所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤s6中控制氩气流量为100～105sccm，控制氮气流量为15～20sccm，保持沉积气压为1.0pa，进行气相沉积。

10.根据权利要求2所述的具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤s7中具有高硬度的氮饱和alnbtizrn耐磨涂层的厚度为2.5～6.0μm。

技术总结
一种具有高硬度的氮饱和AlNbTiZrN耐磨涂层及其制备方法，本发明要解决传统涂层存在硬度不高和耐磨性欠佳等问题。本发明AlNbTiZrN耐磨涂层是由高熵合金靶材磁控溅射沉积而成，该耐磨涂层中各元素的原子百分比含量为：Al：18.00at％～34.00at％，Nb：12.00at％～27.00at％，Ti：10.90at％～13.48at％，Zr：10.94at％～25.52at％，N：32.16at％～48.16at％。本发明高熵合金涂层具有高氮含量，且由FCC面心立方固溶体相组成，高熵合金涂层组分合理、合金化程度高并具有良好的力学性能和耐磨性。

技术研发人员：蔡召兵,王炳旭,林广沛,董颖辉,胡娟娟,陆政,古乐
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27