本发明涉及高熵合金涂层
技术领域：
，具体涉及一种轴承用alcrcufeni系高熵合金涂层的制备方法，应用于轴承上提高轴承基体的减摩性、耐摩性和承载能力。
背景技术：
：目前，国内研究主要集中于制造高附加值轴承，包括提高轴承的可靠性、使用寿命以及dn值等，如：通过高速镦锻工艺制造高附加值轴承、熔铸法制备块状高熵合金、热喷涂表面涂层技术、化学气相沉积(cvd)以及物理气相沉积(pvd)技术等来提高轴承基体的耐摩擦、耐磨损、承载能力和使用寿命。cn104789847a公开了al0.3crfe1.5mnni0.5高熵合金，磁控溅射涂层于轴承滚动面，以提高轴承工作时的性能并且降低其损坏率，让同一个轴承更好更久被利用，减少机械加工中不必要的材料浪费和损坏。国内对于高熵合金系列及性能的研究有限，在alcrcufeni系高熵合金涂层材料设计中，缺少具体元素对于此系列高熵合金的性能影响，无法确定新元素的加入对该系列高熵合金涂层材料在轴承表面涂层的性能影响，轴承的使用寿命与抗疲劳性难以得到根本解决，在短期内也难以制造高端与高精度轴承。技术实现要素：为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种轴承用alcrcufeni系高熵合金涂层的制备方法，通过磁控溅射工艺在轴承表面形成高熵合金涂层，在短期内提高国产轴承质量，进一步提高轴承的减摩性、耐摩性与承载能力。本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种轴承用alcrcufeni系高熵合金涂层的制备方法，具体地，包括以下步骤：(1)制备alcrcufeni系高熵合金靶材：将al、cr、cu、fe和ni元素置于水冷铜模，抽取真空至0.01atm，再充入纯氩气至0.2atm，重复上述抽气、充气过程四次；再熔炼至均匀熔汤，冷却后翻面重新熔炼，重复上述熔炼过程若干次，至形成均匀合金，冷却后将其表面研磨加工，得alcrcufeni系高熵合金靶材；(2)基体预处理：对基体进行打磨抛光处理，用丙酮超声清洗5～10min，风向与所述基体表面成一定角度吹干；(3)直流磁控溅射薄膜涂层：以cr和步骤(1)中所述alcrcufeni系高熵合金为靶材，将步骤(1)预处理后的基体放入磁控溅射机真空腔室内，抽真空至2×10-5torr，编程设置靶电流、基板偏压、氮气流量和氩气流量参数后，采用直流磁控溅射工艺对所述基体和靶材进行反溅清洗，再调整直流磁控溅射工艺进行直流磁控溅射分层沉积镀膜，得薄膜涂层；其中，所述薄膜涂层自上而下(由外及内)依次包括：alcrcufeni系高熵合金层、crn过渡层和cr底层。优选的，所述分层沉积镀膜过程为：先调节氩气流量为20sccm，cr靶电流为1-2a，基体偏压为-400v，用所述cr靶轰击所述基体表面20min，形成cr底层；再调节氩气流量为20sccm，氮气流量为6sccm，cr靶电流为1-2a，基板偏压为-400v，用所述cr靶轰击所述基体表面20min，形成crn过渡层；然后再调节氩气流量为20sccm，氮气流量为6sccm，alcrcufeni系高熵合金靶的电流为1-2a，基板偏压为-400v，用所述alcrcufeni系高熵合金靶轰击所述基体表面20min，形成alcrcufeni系高熵合金层，即得。优选的，所述反溅清洗工艺为：反溅清洗时间为20-40min，电流为0.3a，基板偏压为-400v。优选的，所述磁控溅射机为由真空系统、电源系统、控制系统和冷却系统组成的闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统；且控制系统包括位于所述alcrcufeni系高熵合金靶周围且对称分布的若干个磁控管。在一些优选的实施方式中，对基体进行打磨抛光、超声清洗后，采用风向与所述基体表面成45°角吹干，主要是为防止酒精吹干后留下痕迹，影响薄膜质量，同时尽量使用热风吹干，热风吹干较快，避免杂质吸附在基体表面。优选的，步骤(2)中，所述的基体为直径25mm、厚度6mm的gcr15钢圆块。优选的，步骤(3)中，所述靶电流为1～2a，基本偏压为-400v，和氩气流量为20sccm。优选的，所述高纯氩气的纯度为99.99％。优选的，所述高纯氮气的纯度为99.99％。本发明的第二方面，一种轴承用alcrcufeni系高熵合金涂层，由上述轴承用alcrcufeni系高熵合金涂层的制备方法制得。本发明的第三方面，一种高性能轴承，其表面包括上述轴承用alcrcufeni系高熵合金涂层。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：一、采用直流靶，利用直流(dc)磁控溅射技术将alcrcufeni系高熵合金镀在轴承滚动面上，通过氩粒子撞击熵合金靶材表面，在与靶材表面原子或分子进行能量和动量交换后，从靶材表面飞出的原子或分子沉积到轴承表面，在轴承表面形成高熵合金涂层薄膜，获得的薄膜纯度高、致密性和均匀性好，且镀层厚度能够精确控制。二、现有轴承涂层技术中，因涂层合金性能有待提高，导致轴承性能提升效果不明显，且成本高，收益小，难以充分发挥涂层技术的优势；本发明通过alcrcufeni系高熵合金涂层后，从涂层材料和涂层方式提升轴承的承载能力和耐磨性，延长轴承的使用寿命。三、本发明的制备方法易于大批量生产，结构简单，可以显著提高轴承的可靠性，具有很大的实用性和推广价值。附图说明图1为本发明中alcrcufeni系高熵合金涂层薄膜的结构示意图；自上而下(由外及内)依次为：alcrcufeni系高熵合金层、crn过渡层、cr底层和基体层；图2为本发明中不同氮气流量下alcrcufeni系高熵合金涂层薄膜摩擦磨损系数图；图3为本发明中不同溅射电流下alcrcufeni系高熵合金涂层薄膜的摩擦磨损系数图；图4为本发明中不同基板偏压下alcrcufeni系高熵合金涂层薄膜的摩擦磨损系数图。具体实施方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，以下实验方法如无特殊说明均为常规方法，试剂与材料无特殊说明均市售可得。制备轴承用alcrcufeni系高熵合金涂层的具体过程为：先将al、cr、cu、fe和ni元素置于水冷铜模，抽取真空至0.01atm，再充入纯度为99.99％的氩气至0.2atm，重复上述抽气、充气过程四次；再熔炼至均匀熔汤，冷却后翻面重新熔炼，重复上述熔炼过程至形成均匀合金，冷却后将其表面研磨加工，得alcrcufeni系高熵合金靶材；再对直径25mm、厚度6mm的gcr15钢圆块进行打磨抛光处理，用丙酮超声清洗5～10min，风向与基体表面成45°角吹干；然后以cr和alcrcufeni系高熵合金为靶材，将预处理后的基体放入磁控溅射机真空腔室内，抽真空至2×10-5torr，编程设置靶电流、基本偏压、氮气流量和氩气流量参数后，采用直流磁控溅射工艺对基体和靶材进行反溅清洗，反溅清洗工艺为：反溅清洗时间为20-40min，电流为1.25a，基板偏压为-400v；再调整直流磁控溅射工艺为：靶电流为1～2a、基板偏压为-400v和氩气流量为20sccm进行直流磁控溅射分层沉积镀膜，分层沉积镀膜过程为：先调节氩气流量为20sccm，cr靶电流为1-2a，基板偏压为-400v，用cr靶轰击基体表面20min，形成cr底层；再调节氩气流量为20sccm，氮气流量为6sccm，cr靶电流为1-2a，基板偏压为-400v，用cr靶轰击基体表面20min，形成crn过渡层；然后再调节氩气流量为20sccm，氮气流量为6sccm，alcrcufeni系高熵合金靶的电流为1-2a，基板偏压为-400v，用alcrcufeni系高熵合金靶轰击基体表面20min，得薄膜涂层；其中，薄膜涂层自上而下(由外及内)依次包括：alcrcufeni系高熵合金层、crn过渡层和cr底层，参见附图1所示。采用的磁控溅射机为由真空系统、电源系统、控制系统和冷却系统组成的闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统；且控制系统包括位于alcrcufeni系高熵合金靶周围且对称分布的若干个磁控管。实施例1-6实施例1-6按照上述制备方法制备轴承材料用alcrcufeni系高熵合金氮化物薄膜涂层，不同之处在于实施例1-6的氮气流量依次分别为0％、10％、15％、20％、25％和30％；通过sem扫描电镜观察薄膜断面，结果如附图1所示，按国家标准测试实施例1-6的薄膜涂层硬度和摩擦磨损系数，结果如表1和附图2所示。表1：不同氮气流量下涂层的硬度数据从上述表1可见，随着氮气通入的比例增加，导致参与反应的氮气比例增加，膜层硬度呈现先增加再减小的趋势，当氮气比例达到20％时，膜层硬度达到最高为11.17gpa。参见附图2，当未通氮气时，薄膜的摩擦系数较高，波动幅度较大，平均摩擦系数为0.45。氮气比例为10％至30％时，薄膜的摩擦系数变化不大，均会稳定在0.12至0.15之间，且波动幅度较小。实施例7-11实施例7-11按照上述制备方法制备轴承材料用alcrcufeni系高熵合金氮化物薄膜涂层，不同之处在于实施例7-11的溅射电流分别为1a、1.25a、1.5a、1.75a和2a，按国家标准测试薄膜涂层的硬度和摩擦磨损系数，结果如表2和附图3所示。表2不同溅射电流下涂层的硬度数据从上述表2可见，基板偏压为-50v时，薄膜硬度为10.46gpa，基板偏压增加至-80v时，硬度值降低，为8.42gpa；随着基板偏压的进一步增加，硬度值提高至13.35gpa(-110v)与13.74gpa(-150v)。参见附图3，薄膜在不同基板偏压条件下溅镀出的薄膜均出现摩擦系数约为0.1的阶段。随着摩擦时间的增加，薄膜会在不同时间出现陡升的情况，-80v条件下溅镀的薄膜波动幅度较大，而其他薄膜在最初数几秒的较大波动幅度阶段之后，摩擦系数波动会减小。实施例12-15实施例12-15按照上述制备方法制备轴承材料用alcrcufeni系高熵合金氮化物薄膜涂层，不同之处在于实施例12-15的基板偏压分别为50v、80v、110v和150v，按国家标准测试薄膜涂层的硬度和摩擦磨损系数，结果如表3和附图4所示。表3不同基板偏压下涂层的硬度数据从上述表3可见，随着电流的增加，薄膜的结晶性能得到提高，致密性增加。随着电流的持续提高，薄膜的硬度逐渐降低，至1.75a时，硬度为9.63gpa。当电流升至2a时，薄膜硬度提高至11.29gpa。参见附图4，薄膜在不同电流条件下溅镀出的薄膜在初始阶段摩擦系数约为0.15，之后摩擦系数会在不同的时间陡升，薄膜在摩擦后均出现不同程度的破损，且出现大量的颗粒。综上所述，可以得出本发明的制备方法的最佳工艺参数，制备的轴承涂层材料alcrcufeni系高熵合金氮化物薄膜涂层用于轴承上能够改善轴承的硬度、使用寿命和耐摩擦性。表4最佳工艺参数设定影响因素参数设定基底(111)晶向si基板温度室温氮气流量20％溅射电流1.25a基板偏压-110v溅镀气体n2+ar＝20sccm背景压力≤2×10-5torr工作压力8.1×10-4torr溅镀时间60min以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。当前第1页12