磁控溅射VAlTiCrSi高熵合金薄膜组织及性能的研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lllwan1
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高熵合金作为一种具有高强度、优异的抗腐蚀和抗氧化能力的新型合金材料,引起了广泛的关注。通过与表面涂层技术的结合,高熵合金涂层(薄膜)的出现为改善海洋服役材料性能提供了一种新的思路。本论文首先设计了V-Al-Ti-Cr-Si复合型拼靶,后利用直流磁控溅射技术制备了VAlTiCrSi高熵合金薄膜,同时优化了制备工艺,并系统地研究了高熵合金薄膜耐腐蚀性能(人工海水介质),热稳定性、高温摩擦性能等。同时借助恒电位极化、XPS、TEM等技术手段详细地分析了高熵合金薄膜的钝态行为和腐蚀机理。通过真空退火实验模拟了高熵合金薄膜在高温摩擦测试中的相变过程,结合退火后样品的相应表征,研究了VAlTiCrSi高熵合金薄膜的高温摩擦机理。使用自主设计的按周期性排列的V-Al-Ti-Cr-Si复合型拼靶,通过磁控溅射技术成功制备了非晶态VAlTiCrSi高熵合金薄膜。其中-50V偏压为最佳制备参数,此偏压溅射的薄膜表面光滑致密,成分分布均匀。在人工海水中,高熵合金薄膜表现出优于304不锈钢的耐腐蚀性能:薄膜的自腐蚀电流密度达到4.68×10-9A/cm2,比304不锈钢(5.44×10-8 A/cm2)低一个数量级,钝化区间明显大于304不锈钢;而且高熵合金薄膜表面的钝化膜在海水介质中具有良好的稳定性。为进一步对VAlTiCrSi高熵合金薄膜表面的钝化膜进行研究,通过恒电位极化处理获得了厚度约10nm的单层非晶态钝化膜。该钝化膜成分均匀,连续完整地覆盖在整个高熵合金薄膜表面。XPS结果显示钝化膜主要由V、Al、Ti、Cr和Si的氧化物和各元素的自由态(M0)组成;结合点缺陷模型理论,揭示了钝化膜复杂的成分组成使得薄膜具有出色的耐腐蚀性能。腐蚀后薄膜的表征结果表明,在钝化膜发生破裂过程中,氯离子主要与Cr元素反应,除Cr元素外其他的元素对钝化膜破裂具有一定的抵抗力。以上机理的共同作用导致了VAlTiCrSi高熵合金薄膜耐腐蚀性能优于304不锈钢。VAlTiCrSi高熵合金薄膜具有良好的高温摩擦学性能和热稳定性。高温摩擦实验结果表明在700℃时,VAlTiCrSi高熵合金薄膜的摩擦系数最小,耐磨性最好。模拟相变实验结果揭示了:薄膜700℃下摩擦性能优异的主要原因是相结构转变。在700℃时,薄膜的组成相由纯非晶态转变为BCC固溶体相、Al8Cr5相以及(V,Ti,Cr)5Si3相和非晶相共存。发生相结构转变后,薄膜的力学性能得到明显提升,相应地增强了其耐磨性和摩擦性能;同时固溶体和金属间化合物共存的相结构也显著提升VAlTiCrSi高熵合金薄膜的耐磨性。
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