磁控溅射CoCrFeNi高熵合金薄膜的硬度和电阻率研究

目的研究溅射功率对CoCrFeNi高熵合金薄膜硬度和电阻率的影响,期望获得同时具有高硬度和高电阻率的高熵合金薄膜,为其在电阻薄膜领域的应用提供实验基础。方法在不同溅射功率条件下(40、60、80、100 W),利用CoCr合金靶、Ni片和Fe片拼接成合金靶,采用磁控溅射法在硅基底表面沉积CoCrFeNi高熵合金薄膜。利用XRD分析薄膜相结构,通过SEM分析薄膜成分和形貌,利用显微硬度计测量薄膜硬度,采用双电测四点探针法测定薄膜电阻率。结果不同溅射功率下制备的CoCrFeNi薄膜均与基底结合良好,呈柱状生长模式,且合适的溅射功率有助于获得等摩尔比高熵合金薄膜。随着溅射功率由40 W升高至100 W,薄膜结晶性得到改善,形成简单的FCC相,(111)择优生长更加强烈,柱状生长愈加明显,晶粒尺寸增大,硬度和电阻率降低。结论溅射功率对CoCrFeNi薄膜组织和性能具有重要影响。当溅射功率为40 W时,CoCrFeNi薄膜同时具有最高硬度和最大电阻率,其值分别为940.5HV和336.5μΩ?cm。

磁控溅射法制备Al_xCoCrFeNi高熵合金薄膜的微观组织和力学性能研究

利用磁控溅射工艺制备了不同Al含量的(0~20%(原子分数))AlCoCrFeNi高熵合金薄膜,研究了Al含量对AlCoCrFeNi高熵合金薄膜微观结构和力学性能的影响。结果表明,Al元素的加入,使得原CoCrFeNi四元合金薄膜中的(200)峰消失,Al_xCoCrFeNi薄膜呈现出(111)晶面的择优生长取向。Al_xCoCrFeNi合金薄膜形成了面心立方单一均匀的固溶体。Al元素的加入起到了固溶强化的作用,使Al_xCoCrFeNi薄膜硬度相对于CoCrFeNi合金薄膜整体提高了1~2GPa。当Al含量为0.8时,薄膜的柱状晶宽度达到最小,Al_(0.8)CoCrFeNi薄膜在Hall-Petch关系作用下硬度显著增加,达到最大值18.7GPa。

激光增材制造Al_(x)CoCrFeNi高熵合金的组织与性能

为了研究Al含量对FeCoCrNi合金组织性能的影响,采用多路送粉激光熔覆设备高通量制备Al_(x)CoCrFeNi高熵合金(0≤x≤0.9),通过X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、电子探针和显微硬度计测试合金的相组成、显微组织结构、成分和硬度。结果表明:随着Al含量的增加,Al_(x)CoCrFeNi高熵合金由单一FCC相(x≤0.35)转变为FCC+BCC双相结构(0.35<x<0.85),最后转变为单一BCC结构(x≥0.85)。高熵合金的微观组织为柱状枝晶和均匀的等轴枝晶,Al含量增至x=0.5时,枝晶间开始出现明暗交替的调幅分解结构,由无序相A2和有序相B2组成。显微硬度测试结果表明:Al_(x)CoCrFeNi高熵合金的硬度基本随Al含量增加而增加,Al_(0.9)CoCrFeNi的硬度相较于FeCoNiCr提升了146%。此外,当Al含量达到一定值时(x≥0.6),合金中开始有裂纹出现,裂纹尺寸和密度随Al含量继续增加而增加,这主要与合金凝固区间变宽、在凝固温度附近的黏度值增加导致的热裂纹增加,以及由于脆性的BCC相和σ相含量增加引起的冷裂纹有关。

Mo含量对激光熔覆CoCrFeNiW_(0.6)Mo_(x)高熵合金涂层组织与性能的影响

目的研究Mo含量的变化对激光熔覆CoCrFeNiW_(0.6)高熵合金涂层的影响。方法使用RFL-C1000光纤激光器,在45钢基体表面制备CoCrFeNiW_(0.6)Mo_(x)(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8)高熵合金涂层,并利用Leica DVM6光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪、显微硬度仪、电化学工作站对熔覆层的宏观形貌与稀释率、相结构、微观组织结构、硬度、耐腐蚀性能进行测试与分析。结果加入Mo元素后,结合状态与表面形貌良好,当x=0~0.4时,涂层微观组织主要呈树枝晶形态,且晶粒逐渐变细。当x≥0.6时,涂层表面开始有裂纹产生。随着Mo元素的添加,涂层逐渐析出σ相,晶粒尺寸逐渐减小。当x=0.8时,有共晶组织形成。涂层显微硬度随Mo元素的增加而增加,但由于x=0.8时出现较多裂纹,裂纹的出现影响了涂层硬度,导致x=0.8时的硬度减小。当x=0.6时,涂层平均显微硬度最高,达到了959.69HV0.3,约为CoCrFeNiW_(0.6)涂层平均硬度的20.32%。当x=0~0.6时,涂层耐腐蚀性能随着Mo元素含量的增加逐渐提升。当x=0.8时,耐腐蚀性能变差,其原因是裂纹的出现以及σ相的形成使得涂层耐腐蚀性变差。在x=0.6时,涂层耐腐蚀性能最好。结论Mo元素的加入使得涂层微观组织出现σ相,同时有细化晶粒的作用,可以显著改善涂层的硬度以及耐腐蚀性。

熔盐电解制备CoCrFeNi高熵合金及其合金化机理研究

高熵合金是近年来迅速发展起来的一种新型金属材料,具有特殊的优异性能。然而,目前高熵合金多采用液相法制备,存在能耗高、沸点低、易挥发、合金元素易偏析、收缩气孔等问题,使得其制备成本高。本文提出了采用熔盐电解工艺直接电解混合金属氧化物,低温制备CoCrFeNi高熵合金的研究方法,并对高熵合金化机理进行了探究。研究结果表明,在900℃、3.1 V电解电压和CaCl_(2)熔盐条件下可通过电解混合氧化物直接制备得到CoCrFeNi高熵合金,本工艺与传统高熵合金制备工艺相比具有温度低、流程短、成本低的优势。研究发现固态混合氧化物直接电解脱氧过程与氧化物的分解电压相关,分解电压较低且相近的CoO、NiO先脱氧形成CoNi合金,Fe_(2)O_(3)先还原为Fe_(3)O_(4),再得到金属Fe后形成CoNiFe合金,并随着电解时间的延长,各金属元素的含量逐渐趋近等比例。分解电压较高的Cr_(2)O_(3)脱氧速度较慢,最终与CoNiFe合金形成CoCrFeNi,各元素相互扩散逐渐趋近形成等比例的CoCrFeNi高熵合金,最终形成单相FCC结构的CoCrFeNi高熵合金。本研究表明,采用低温熔盐电解工艺可实现直接利用混合金属氧化物制备高熵合金,通过调控电解电压和电解时间可得到成分相对均匀的CoCrFeNi高熵合金。本研究可为低成本制备高熵合金提供参考。

激光熔覆CoCrFeNiNb_(x)高熵合金涂层的高温摩擦磨损性能

采用激光熔覆技术成功制备了CoCrFeNiNb_(x)(x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金涂层,研究了Nb元素对高熵合金涂层微观组织和显微硬度的影响,分析了CoCrFeNiNb_(0.75)涂层在25~800℃的摩擦磨损性能和机制.结果表明:CoCrFeNiNb_(x)高熵合金涂层主要由FCC (面心立方)相与具有HCP晶格结构的Laves相组成.随着Nb摩尔含量的增加,CoCrFeNiNb_(x)的微观组织由单一的胞状晶FCC固溶体相(x=0)向亚共晶组织(x=0.25)、共晶组织(x=0.5)和过共晶组织(x=0.75,1.0)逐步发生演变. CoCrFeNiNb_(0.75)涂层具有最高的平均硬度(574 HV),表明适量的Nb元素的掺杂能有效提高涂层的显微硬度,这是固溶强化、第二相强化以及层片共晶组织中产生的大量新界面阻碍位错运动的边界强化相互作用的结果. CoCrFeNiNb_(0.75)涂层在室温下的磨损机制主要为氧化磨损和轻微的磨粒磨损,而在400和800℃下均为氧化磨损.在800℃时,磨损表面形成了致密的氧化物釉质层,起到了良好的减摩抗磨作用,使高熵合金在高温环境下表现出了优异的摩擦磨损性能.

非晶纳米高熵合金薄膜Nd-Fe-Co-Ni-Mn的电化学制备及磁学性能

通过电沉积方法在室温下制备了具有纳米结构组织的Nd-Fe-Co-Ni-Mn高熵合金磁性薄膜。通过改变电沉积参数,如沉积电位、沉积时间,可控制薄膜的纳米结构及表面形貌。扫描电子显微镜观察结果表明,在Ti基体上,-2.2 V下沉积5 min可制备出大小在200 nm左右的均匀分布的球形颗粒薄膜,延长沉积时间会使薄膜变得更加致密,而沉积电位的负移会导致纳米片的出现。能谱结果表明5种元素发生了共沉积,结构分析表明该薄膜是无定形态的。稀土元素Nd与过渡金属发生共沉积,可能是由于过渡金属离子与二甲基亚砜形成多核配位化合物而使得过渡金属离子沉积电位负移所致。Nd-Fe-Co-Ni-Mn高熵合金薄膜在室温下具有良好的软磁性能。

Al_(0.3)CrFe_(1.5)MnNi_(0.5)高熵合金氮化物薄膜的微观结构及摩擦磨损性能研究

采用反应磁控溅射法制备了Al0.3CrFe1.5MnNi0.5高熵合金氮化物薄膜,分析了不同氮气含量反应下薄膜的微观结构,并考察了薄膜的摩擦磨损性能。结果表明：溅射时氮含量（RN）为0%时,薄膜为体心立方结构,RN为10%时,氮化物镀层主相为面心立方CrN,且存在其他原子置换CrN的晶格中部分Cr原子而形成固溶体。RN达到15%时,薄膜形成非晶结构,随着RN的增大,薄膜非晶化趋势明显。RN为20%-30%时,氮气的固溶度逐渐达到饱和。高熵合金氮化物薄膜的摩擦系数较合金薄膜有明显提高,在磨耗过程中,能够有效阻止裂纹,抗摩擦磨损性能较合金薄膜均有不同程度的提高。

AlCoCrCu_(0.5)NiFe高熵合金氧化物薄膜光学特性的研究

目的制备AlCoCrCu_（0.5）NiFe高熵合金氧化物薄膜,并对其光学性能进行表征。方法使用磁控溅射设备在单晶硅片和玻璃上制备AlCoCrCu_（0.5）NiFe高熵合金氧化物薄膜,并对膜进行退火处理。使用椭圆偏振光谱仪对薄膜的光学特性进行分析。结果随着氧含量的增加,折射系数减小。当光波长为633 nm时,折射系数为1.69~2.40。当氧分压为10%,折射率色散曲线在475 nm和600 nm处出现拐点,在600 nm之后折射率随着波长的增大而逐渐减小。当氧分压为30%时,折射率曲线在500 nm和600 nm处出现拐点,在600 nm后折射率趋于稳定。当氧分压为50%时,折射率曲线在525 nm处出现拐点,之后折射率随波长的增大而逐渐增大。在450~550 nm波段内,AlCoCrCu_（0.5）NiFe氧化物薄膜的吸收系数随氧分压的增加而增加。在550~850 nm波段内,薄膜的吸收系数随工作气压的变化趋势不明显。随着氧分压的增加膜的颜色逐渐变深。经过退火处理后,膜的颜色进一步加深。在相同工艺参数的情况下,氧的分压增加,膜厚减小。结论适当减小氧分压,能获得具有高折射率的AlCoCrCu_（0.5）NiFe氧化物薄膜。不同的分压下,AlCoCrCu_（0.5）FeNi氧化物薄膜的吸收系数随波长的增加均存在一个拐点,并且随氧分压的增加,拐点的波长减小。氧含量增加导致氧化物薄膜厚度减小,颜色加深。

高熵合金氮化物薄膜的研究进展

基于多元高熵合金思想制备的高熵合金氮化物薄膜由于多种元素相互混合,易于产生高熵效应、晶格畸变效应和缓慢扩散效应,使得该新型薄膜体系形成简单的非晶结构和纳米晶结构。依赖于成分和制备工艺,多元高熵合金氮化物薄膜表现出简单的固溶体结构和优异的性能,因而在许多领域极具应用潜力。综述了高熵合金氮化物薄膜的发展概况、组织特点、性能特征、制备方法和应用前景,并对高熵合金氮化物薄膜的发展方向进行了展望。

基板偏压对溅镀AlCrNbSiTiV高熵合金氮化物薄膜性能的影响

用真空电弧熔炼法制备了AlCrNbSiTiV高熵合金,并将其作为靶材,利用直流反应式磁控溅镀法在T1200A金属陶瓷刀具或硅晶片上沉积了高熵合金氮化物薄膜。通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪和纳米压痕仪考察了基板偏压对薄膜形貌、元素含量、物相成分和性能的影响。所得氮化物薄膜均匀、致密,所有元素的原子分数与靶材相当。由于再溅射,沉积速率随着基板偏压增大而减小。薄膜的弹性恢复和显微硬度在基板偏压为0^-100 V时随着偏压增大而提高,进一步增大偏压反而减小。相比未溅镀薄膜的刀具,用溅镀了AlCrNbSiTiV氮化物薄膜的刀具干切削S45C中碳钢圆柱工件,工件表面的粗糙度和刀具的侧面磨损显著降低。-100 V偏压溅镀的刀具的切削性能最佳。

高熵合金AlCrNbSiTiV氮化物薄膜溅镀参数的优化

以AlCrNbSiTiV为靶材,用反应式磁控溅镀系统分别在住友BNX20刀具和硅晶片上沉积高熵合金氮化物(AlCrNbSiTiV)N薄膜。采用田口方法的L9(34)正交表考察了沉积时间、基材偏压、溅射功率和基材温度对沉积速率、薄膜硬度和刀具寿命的影响,通过方差分析(ANOVA)确定了影响各性能的主要因素。对信噪比(S/N)进行灰关联分析以实现多目标优化,得出最佳工艺参数为:沉积时间20min,基材偏压-100V,溅射功率250W,基材温度400°C。在该条件下,沉积速率为17.28nm/min,薄膜硬度达到2814HV,刀具寿命2.50m。

合金元素对CoCrFeNi基高熵合金相组成和力学性能影响的研究现状

基于多主元设计理念的高熵合金(又称多主元合金)虽然组成元素复杂,但能形成简单结构的固溶体,并具有优异的性能,已成为当前高性能金属材料的研究热点之一。目前的研究主要集中在固溶体形成条件、成分种类、含量、组织结构及不同退火温度对合金的组织和力学性能的影响等方面。学者们还界定了形成固溶体时合金混合焓、原子半径及价电子浓度(VEC)的范围。当前的研究以CoCrFeNi基合金最为广泛,主要研究目标包括提高BCC型合金的塑性或FCC型合金的强度,以及开发具有良好的可铸性、易适应大规模生产的共晶高熵合金。通过降低晶粒尺寸、热处理和引入新元素等方法,使高熵合金产生晶界强化以及析出细小、弥散的第二相,从而有效地强化FCC基体。通过一系列的合金设计,研究出一些低成本、高性能的合金,进而也可用于一些高性能要求的零件或制备成高性能涂层。本文综述了合金元素Al、Cu、Ti、Mn、Mo、Pd、Nb及两种元素协同作用对铸态CoCrFeNi基高熵合金的相组成和力学性能的影响。通过对比发现,不同元素由于其原子半径、电负性以及与其他元素的结合力不同对高熵合金的相形成产生不同的影响,从而影响其力学性能。Al、Ti和Mo等原子半径较大元素的添加会产生固溶强化,使得合金的硬度增大。同时,Al元素的添加会因形成有序的B2相而产生第二相强化;部分合金还能形成共晶高熵合金。Ti和Mo元素由于与其他元素的混合焓较小容易形成复杂的化合物使得合金变脆。而Cu与其他元素混合焓较大,易优先在枝晶间析出。铸态下Mn含量的变化不影响合金的晶体结构,合金为FCC相。经过时效处理后,Mn含量高的合金有少量σ相析出。添加Nb元素后,合金由于Laves相的出现强度增加且变脆。此外,还对添加Pb元素后合金的饱和磁化性能以及部分合金的耐腐蚀性等进行了综述。本文可为高熵合金的成分设计及研究提供参考。

选区激光熔化制备Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的工艺参数及组织性能

为了验证采用选区激光熔化(SLM)技术制备高熵合金的可行性,使用原始混合粉末进行了Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的SLM制备。通过对相对密度进行表征,探讨了激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对成型质量的影响,并采用扫描电镜及X射线衍射仪等进行了显微组织、相组成分析,通过硬度和拉伸试验对材料的力学性能进行了表征。结果表明:激光功率、扫描速度、扫描间距三者间的交互作用对材料的相对密度有很大的影响,材料相对密度随着能量密度的增加而增加。SLM制备的高熵合金试样的相对密度最高可达99.92%,组织细小均匀,由简单的面心立方结构和体心立方结构两相构成,屈服强度达到540 MPa,拉伸强度达到878 MPa,延伸率为18%,综合性能优于传统熔炼高熵合金,表明采用SLM技术制备高熵合金是可行的。

CoCrFeNi-M系高熵合金的结构与相变

高熵合金作为金属材料领域近年来的三大突破之一,其开拓性地打破了传统合金设计理念的思想囚笼,适当配比的高熵合金可制得具有高强度、高耐磨性及耐蚀性等优异性能的合金材料。Fe、Co、Cr、Ni四种元素在高熵合金体系中研究得最为广泛,并得到一定的研究成果。从CoCrFeNi-M系高熵合金的结构与相变特点切入,介绍了高熵合金的结构分类特点,分析了高熵合金相形成及其规律,阐述了合金元素对铸态高熵合金相结构的影响,探讨了高熵合金的热处理过程。最后,总结了高熵合金的研究现状及其存在的问题。

磁控溅射制备高熵合金薄膜研究进展

作为新兴合金材料,多主元高熵合金打破了传统合金中主要组成元素为一种或两种的合金设计理念,由至少五种主要元素构成,从而获得的高熵效应使其在性能上往往比传统合金具有更大的优势,如高硬度、高强度、抗高温氧化、耐腐蚀等。近年来,高熵合金薄膜的性能及制备技术同样备受学术界和工业界的关注。磁控溅射薄膜制备技术具有成膜温度低、膜层致密、结合力好等优点,已逐渐应用于高熵合金薄膜的制备及性能研究,具有非常大的工程应用前景。介绍直流、射频、离子束及脉冲磁控溅射的特点及其在高熵合金薄膜中的应用,重点分析不同磁控溅射技术下制备的高熵合金薄膜的相结构特点和规律,并系统地阐述薄膜优异的各种性能,最后展望磁控溅射技术制备高熵合金薄膜发展的方向。

激光熔覆CoCrFeNiSi_(x)高熵合金涂层的组织及性能

目的研究Si含量对CoCrFeNi高熵合金激光熔覆涂层的组织及性能的影响。方法利用激光熔覆技术在45#钢基材上制备CoCrFeNiSi_x(x=0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0)高熵合金涂层,通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、摩擦磨损试样机,对单道和多道熔覆层的宏观形貌、微观组织、显微硬度及摩擦磨损性能进行观察和测试。结果高熵合金涂层与基体形成良好的冶金结合,添加适量的Si可以提高熔覆层的表面成形性,随着Si的添加,合金的稀释率先增后减,且润湿角逐渐减小。涂层的微观组织随Si含量的升高由等轴晶变为树枝晶,后又变为等轴晶,晶粒结构尺寸减小,涂层致密度提高。涂层由fcc结构变为bcc结构。涂层的显微硬度随Si含量的增加而增加,在x=2.0时,硬度达到600HV0.5左右,约为基体3倍。磨损方式由粘着磨损变为磨粒磨损,当Si含量最高时,磨损量达到最少,摩擦因数也最低,约为0.49。结论在CoCrFeNi基高熵合金中添加Si可以降低合金的熔点,提高润湿能力;Si还可以增加涂层的形核率,起到细化晶粒的作用;Si作为添加元素还提高了涂层硬度,改善了涂层的耐磨减摩作用。

激光熔覆CoCrFeNiSi_(x)高熵合金涂层组织及耐蚀性能研究

目的研究Si含量对CoCrFeNi系高熵合金涂层组织、物相、显微硬度及耐蚀性能的影响。方法通过激光熔覆技术在45钢基材上制备CoCrFeNiSi_(x)(x为物质的量之比,x=0.0,0.5,1.0,1.5,2.0)高熵合金涂层,使用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、电化学工作站对涂层的显微组织、物相组成、显微硬度、耐蚀性能、腐蚀形貌进行分析研究。结果CoCrFeNi高熵合金涂层为单一的fcc相,之后随着Si含量的提升,涂层向bcc相转变,当x=2.0时,全部转化为bcc相。涂层的微观组织以等轴晶与枝晶为主,当Si含量较少时,Si元素主要在晶界中偏析,随着Si含量的增加,过多的Si会固溶到晶粒内部。涂层的平均显微硬度随着Si含量的升高而增加,CoCrFeNiSi_(2.0)可达到566.5HV0.5。在3.5%NaCl溶液中,涂层的腐蚀电位随Si含量的增加而变大,CoCrFeNiSi_(2.0)较CoCrFeNiSi0.0的腐蚀电位正移约160 mV,腐蚀电流密度从1.17×10^(-6)A/cm^(2)减小到6.06×10^(-7)A/cm^(2),耐蚀性提高。当Si含量较低时,涂层表面出现连续大面积腐蚀痕迹,随着Si含量的增加,表面腐蚀以点蚀为主。结论在CoCrFeNi系高熵合金涂层中添加Si元素,可以促进bcc相的生成,提高涂层的显微硬度,同时可以有效抑制合金涂层的腐蚀倾向,以及减缓合金涂层的腐蚀速率,提高耐蚀性能。

磁控溅射制备AlCrWTaTiNb高熵合金薄膜低温等离子体氮化

采用磁控溅射技术沉积了AlCrWTaTiNb多元高熵合金薄膜,在400℃以下采用高密度等离子体设备对沉积的薄膜进行了氮化处理.用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜和纳米压痕对氮化后薄膜的微观结构、表面形貌以及力学性能进行了分析.结果表明,高熵效应有利于降低氮化温度,最低氮化温度仅为200℃,所有的(AlCrWTaTiNb)N薄膜晶体结构呈现简单的FCC结构,且具有(111)择优取向.随着氮化温度的增加,(AlCrWTaTiNb)N复合薄膜的显微硬度、弹性模量和对应的H3/E2均增大,氮化温度为300℃时,达到最大,随后略微下降.随氮化时间的延长,显微硬度和弹性模量均逐渐增加.

高熵合金薄膜制备、微观结构与性能的研究进展

相较于传统的薄膜,高熵合金薄膜具有更加优异的力学性能和独特的物理化学性能,在近14年获得了长足发展。概述了近年来有关高熵合金薄膜的研究进展,首先介绍了高熵合金薄膜的制备工艺方法(溅射沉积、等离子喷涂、激光熔覆、等离子转移电弧熔覆、电化学沉积以及阴极电弧沉积等),详细说明了应用范围最广的溅射沉积技术的分类和特点,并且阐述了各工艺技术的优缺点及应用范围。其次,总结了高熵合金薄膜的微观结构特征和性能(力学性能、耐腐蚀、耐磨损、抗辐照以及耐高温氧化性能等)。高熵合金打破了传统合金通过添加其他合金元素来获得特定性能的设计准则,是一种多主元合金固溶体,因此微观结构更加致密,相结构更加稳定且体系更加复杂,这使得高熵合金薄膜/涂层同样表现出比传统涂层更加优良的综合性能。最后,讨论了目前研究工作的问题和不足之处,主要存在的问题是针对结构和性能之间关系的研究不够透彻,内在机理尚不明确,未来的研究应该着重于此。