本发明属于材料学领域领域，尤其涉及一种高熵合金氮化物涂层的高硬度材料及其制备方法。
背景技术：
随着先进制造业的不断发展，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，使得材料表面不仅具有较高的硬度、耐磨性，还要求其具有优异的耐高温性能和耐腐蚀性能。通常所见的一元、二元或三元的氮化物涂层已经无法满足许多工业需求，这就不得不使人们对保护涂层提出了更高的性能要求。为了满足这一需求，人们尝试在现有氮化物涂层的基础上添加某些新的元素，制备出多组元的氮化物涂层。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高熵合金氮化物涂层的高硬度材料及其制备方法，以解决现有一元、二元或三元氮化物涂层硬度、磨损性能不佳的问题。
本发明采用以下技术方案：一种高熵合金氮化物涂层的高硬度材料，由位于基片表面的cr过渡层、位于该cr过渡层表面的crn过渡层、以及位于该crn过渡层表面的氮化物涂层组成；该氮化物涂层利用射频溅射法由氮气和高熵合金沉积制得，cr过渡层的厚度为80-150nm，crn过渡层的厚度为50-100nm，氮化物涂层的厚度为1.5-2.5μm。
进一步地，氮化物涂层的厚度为1.71-2.12μm。
进一步地，基片为硅片、高速钢或硬质合金三者中的任何一种。
进一步地，一种高熵合金氮化物涂层的高硬度材料的制备方法，由如下步骤组成：
以铝、硅、钛、铬、铌和钒为配料，采用真空电弧熔炼法制备得到高熵合金铸锭，将高熵合金铸锭依次经过线切割、清洗、打磨和抛光后得到高熵合金靶材；
将高熵合金靶材和待处理的基片依次在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗20-30min；
采用射频电源对空白基片进行20～30min预溅射，功率为100w；
将预溅射处理后的基片采用磁控溅射法进行沉积铬过渡层，cr靶材由直流阴极控制，用直流电源沉积2-3min；
采用磁控溅射法对上述制得的基片进行沉积crn过渡层，cr靶材由直流阴极控制，并在溅射时通入氮气，用直流电源沉积3-4min；
采用射频溅射法，溅射气体采用ar和n2的混合气体，将清洗后的高熵合金和氮气沉积到上述制得的基片上，制备出具有高熵合金氮化物涂层的高硬度材料。
进一步地，射频溅射法中氩气流量为26-30sccm，氮气流量为10-14sccm。
进一步地，真空室的炉腔真空度不低于2.0×10-3pa，靶基距为9cm，沉积气压为0.65pa，沉积温度为25-300℃，射频电源功率为100-200w，溅射时间为120min。
进一步地，制得的镀层材料的硬度为47.3-70gpa，摩擦系数为0.16-0.20，临界载荷为89n。
进一步地，制得的材料的硬度为47.3-67gpa。
进一步地，靶材制备，选用纯度高于99.9％的铝、硅、钛、铬、铌和钒即al、si、ti、cr、nb、v块状及颗粒状金属，以原子等摩尔比配备出原材料，并对原材料依次进行酒精和丙酮的超声波清洗，最后将原材料放入wk-ⅱ型非自耗真空电弧熔炼炉来制备高熵合金铸锭；将熔炼好的高熵合金铸锭放入电火花线切割机中进行切割，制成直径为60mm，厚度为5mm的高熵合金基片，对其进行抛光处理，并重复上述超声波清洗过程，最终制得高熵合金靶材；
清洗高熵合金靶材和待处理的基片，将经打磨镜面抛光处理后的高熵合金靶材和待处理的基片依次在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗20min；
将空白基片置于预溅射装置内，开启机械泵和分子泵进行抽真空，维持真空度在2.0×10-3pa，用射频电源对空白基片进行20min预溅射，功率为100w；
cr过渡层制备，将上述处理后得到的基片置于溅射腔体内进行沉积cr过渡层，cr靶材由直流阴极控制，用直流电源沉积2min，得到表面镀有80nm的cr过渡层的高熵合金基片；
crn过渡层制备，将上述溅射后的基片再进行沉积crn过渡层，cr靶材由直流阴极控制，并在溅射时通入氮气，用直流电源沉积3min，得到50nm的crn过渡层；
氮化物涂层的制备，将上述处理后的基片利用高熵合金靶材进行沉积氮化物，由射频阴极控制，真空室的真空度不低于2.0×10-3pa，靶基距：9cm，溅射气体采用ar和n2的混合气体，氩气流量为30sccm，氮气流量为10sccm，沉积气压：0.65pa，沉积温度：25℃，射频电源功率：200w，溅射时间为120min；
获得(alsiticrnbv)n涂层即氮化物涂层的厚度为2.12μm，硬度为54.7gpa，摩擦系数约为0.16，临界载荷为89n。
进一步地，靶材制备，选用纯度高于99.9％的铝、硅、钛、铬、铌和钒即al、si、ti、cr、nb、v块状及颗粒状金属，以原子等摩尔比配备出原材料，并对原材料进行酒精、丙酮再酒精的超声波清洗，最后将原材料放入wk-ⅱ型非自耗真空电弧熔炼炉来制备高熵合金铸锭；将熔炼好的高熵合金铸锭放入电火花线切割机中进行切割，制成直径为60mm，厚度为5mm的高熵合金基片，对其进行抛光处理，并重复上述超声波清洗过程，最终制得高熵合金靶材；
清洗高熵合金靶材和待处理的基片，将经打磨镜面抛光处理后的高熵合金靶材和待处理的基片依次在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗30min；
将空白基片置于预溅射装置内，开启机械泵和分子泵进行抽真空，维持真空度在2.0×10-3pa，用射频电源对空白基片进行30min预溅射，功率为100w；
cr过渡层制备，将上述处理后得到的基片置于溅射腔体内进行沉积cr过渡层，cr靶材由直流阴极控制，用直流电源沉积3min，得到表面镀有150nm的cr过渡层的高熵合金基片；
crn过渡层制备，将上述溅射后的基片再进行沉积crn过渡层，cr靶材由直流阴极控制，并在溅射时通入氮气，用直流电源沉积4min，得到100nm的crn过渡层，
氮化物涂层的制备，将上述处理后的基片利用高熵合金靶材进行沉积氮化物，由射频阴极控制，真空室的真空度不低于2.0×10-3pa，靶基距：9cm，溅射气体采用ar和n2的混合气体，氩气流量为28sccm，氮气流量为12sccm，沉积气压：0.65pa，沉积温度：150℃，射频电源功率：150w，溅射时间为120min；
获得(alsiticrnbv)n涂层即氮化物涂层的厚度为1.96μm，硬度为50.2gpa，摩擦系数约为0.18，临界载荷为89n。
本发明的有益效果是：本发明所得的高熵合金氮化物涂层的高硬度材料不但具有超过50gpa的高硬度，并且具有优良的磨损性能；该涂层生产工艺简单、沉积速度快、成本低等特点，并且具有生产效率高、能耗低，对设备要求较低等优点，可适用于硬质刀具涂层。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的制备方法中所用到的仪器分别为：kq2200de型超声波清洗机；wk-ⅱ型非自耗真空电弧熔炼炉；线切割机；msp-400b型磁控溅射仪。涂层通过msp-400b型磁控溅射仪并用反应溅射法制备。
本发明所采用的测试方法：场发射电子显微镜(sem)观察微观形貌；能谱仪(eds)分析成分；纳米压痕仪测量纳米硬度和弹性模量；磨损仪测量摩擦系数。
本发明公开了一种高熵合金氮化物涂层的高硬度材料，由位于基片表面的cr过渡层、位于该cr过渡层表面的crn过渡层、以及位于该crn过渡层表面的氮化物涂层组成；该氮化物涂层利用射频溅射法由氮气和高熵合金沉积制得，所述cr过渡层的厚度为80-150nm，所述crn过渡层的厚度为50-100nm，所述氮化物涂层的厚度为1.5-2.5μm。
本发明公开了一种高熵合金氮化物涂层的高硬度材料的制备方法由如下步骤组成：
步骤1：以铝、硅、钛、铬、铌和钒为配料，采用真空电弧熔炼法制备得到高熵合金铸锭，将高熵合金铸锭依次经过线切割、清洗、打磨和抛光后得到高熵合金靶材；
步骤2：将高熵合金靶材和待处理的基片依次在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗20-30min；
步骤3：采用射频电源对空白基片即待处理的基片进行20～30min预溅射，功率为100w；
步骤4：采用磁控溅射法对基片进行沉积铬过渡层，cr靶材由直流阴极控制，用直流电源沉积2-3min；
步骤5：采用磁控溅射法对步骤4制得的基片进行沉积crn过渡层，cr靶材由直流阴极控制，并在溅射时通入氮气，用直流电源沉积3-4min；
步骤6：采用射频溅射法，溅射气体采用ar和n2的混合气体，将高熵合金和氮气沉积到步骤5制得的基片上，制备出具有高熵合金氮化物涂层的高硬度材料。
实施例1：
步骤1：靶材制备
选用纯度高于99.9％的铝、硅、钛、铬、铌和钒即al、si、ti、cr、nb、v块状及颗粒状金属，以原子等摩尔比配备出原材料，并对原材料进行酒精、丙酮再酒精的超声波清洗，最后将原材料放入wk-ⅱ型非自耗真空电弧熔炼炉来制备高熵合金铸锭；将熔炼好的高熵合金铸锭放入电火花线切割机中进行切割，制成直径为60mm，厚度为5mm的高熵合金基片，对其进行抛光处理，并重复上述超声波清洗过程，最终制得高熵合金靶材。
步骤2：清洗高熵合金靶材和待处理的基片
将经打磨镜面抛光处理后的高熵合金靶材和待处理的基片依次在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗20min。
步骤3：将空白基片置于预溅射装置内，开启机械泵和分子泵进行抽真空，维持真空度在2.0×10-3pa，用射频电源对空白基片进行20min预溅射，功率为100w。
步骤4：cr过渡层制备
将步骤3处理后得到的基片置于溅射腔体内进行沉积cr过渡层，cr靶材由直流阴极控制，用直流电源沉积2min，得到表面镀有80nm的cr过渡层的高熵合金基片；
步骤5：crn过渡层制备
将步骤4溅射后的基片再进行沉积crn过渡层，cr靶材由直流阴极控制，并在溅射时通入氮气，用直流电源沉积3min，得到50nm的crn过渡层。
步骤6：氮化物涂层的制备
将步骤5处理后的基片利用高熵合金靶材进行沉积氮化物，由射频阴极控制，真空室的真空度不低于2.0×10-3pa，靶基距：9cm，溅射气体采用ar和n2的混合气体，氩气流量为30sccm，氮气流量为10sccm，沉积气压：0.65pa，沉积温度：25℃，射频电源功率：200w，溅射时间为120min。
经测试，获得(alsiticrnbv)n涂层即氮化物涂层的厚度为2.12μm，硬度为54.7gpa，摩擦系数约为0.16，临界载荷为89n。
实施例2：
步骤1：靶材制备
选用纯度高于99.9％的铝、硅、钛、铬、铌和钒即al、si、ti、cr、nb、v块状及颗粒状金属，以原子等摩尔比配备出原材料，并对原材料进行酒精、丙酮再酒精的超声波清洗，最后将原材料放入wk-ⅱ型非自耗真空电弧熔炼炉来制备高熵合金铸锭；将熔炼好的高熵合金铸锭放入电火花线切割机中进行切割，制成直径为60mm，厚度为5mm的高熵合金基片，对其进行抛光处理，并重复上述超声波清洗过程，最终制得高熵合金靶材。
步骤2：清洗高熵合金靶材和待处理的基片
将经打磨镜面抛光处理后的高熵合金靶材和待处理的基片依次在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗30min。
步骤3：将空白基片置于预溅射装置内，开启机械泵和分子泵进行抽真空，维持真空度在2.0×10-3pa，用射频电源对空白基片进行30min预溅射，功率为100w。
步骤4：cr过渡层制备
将步骤3处理后得到的基片置于溅射腔体内进行沉积cr过渡层，cr靶材由直流阴极控制，用直流电源沉积3min，得到表面镀有150nm的cr过渡层的高熵合金基片；
步骤5：crn过渡层制备
将步骤4溅射后的基片再进行沉积crn过渡层，cr靶材由直流阴极控制，并在溅射时通入氮气，用直流电源沉积4min，得到100nm的crn过渡层。
步骤6：氮化物涂层的制备
将步骤5处理后的基片利用高熵合金靶材进行沉积氮化物，由射频阴极控制，真空室的真空度不低于2.0×10-3pa，靶基距：9cm，溅射气体采用ar和n2的混合气体，氩气流量为28sccm，氮气流量为12sccm，沉积气压：0.65pa，沉积温度：150℃，射频电源功率：150w，溅射时间为120min。
经测试，获得(alsiticrnbv)n涂层即氮化物涂层的厚度为1.96μm，硬度为50.2gpa，摩擦系数约为0.18，临界载荷为89n。
实施例3：
步骤1：靶材制备
选用纯度高于99.9％的铝、硅、钛、铬、铌和钒即al、si、ti、cr、nb、v块状及颗粒状金属，以原子等摩尔比配备出原材料，并对原材料进行酒精、丙酮再酒精的超声波清洗，最后将原材料放入wk-ⅱ型非自耗真空电弧熔炼炉来制备高熵合金铸锭；将熔炼好的高熵合金铸锭放入电火花线切割机中进行切割，制成直径为60mm，厚度为5mm的高熵合金基片，对其进行抛光处理，并重复上述超声波清洗过程，最终制得高熵合金靶材。
步骤2：清洗高熵合金靶材和待处理的基片
将经打磨镜面抛光处理后的高熵合金靶材和待处理的基片依次在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗25min。
步骤3：将空白基片置于预溅射装置内，开启机械泵和分子泵进行抽真空，维持真空度在2.0×10-3pa，用射频电源对空白基片进行25min预溅射，功率为100w。
步骤4：cr过渡层制备
将步骤3处理后得到的基片置于溅射腔体内进行沉积cr过渡层，cr靶材由直流阴极控制，用直流电源沉积2.5min，得到表面镀有120nm的cr过渡层的高熵合金基片；
步骤5：crn过渡层制备
将步骤4溅射后的基片再进行沉积crn过渡层，cr靶材由直流阴极控制，并在溅射时通入氮气，用直流电源沉积3.5min，得到75nm的crn过渡层。
步骤6：氮化物涂层的制备
将步骤5处理后的基片利用高熵合金靶材进行沉积氮化物，由射频阴极控制，真空室的真空度不低于2.0×10-3pa，靶基距：9cm，溅射气体采用ar和n2的混合气体，氩气流量为26sccm，氮气流量为14sccm，沉积气压：0.65pa，沉积温度：300℃，射频电源功率：100w，溅射时间为120min。
经测试，获得(alsiticrnbv)n涂层即氮化物涂层的厚度为1.71μm，硬度为47.3gpa，摩擦系数约为0.20，临界载荷为89n。
实施例4：
步骤1：靶材制备
选用纯度高于99.9％的铝、硅、钛、铬、铌和钒即al、si、ti、cr、nb、v块状及颗粒状金属，以原子等摩尔比配备出原材料，并对原材料进行酒精、丙酮再酒精的超声波清洗，最后将原材料放入wk-ⅱ型非自耗真空电弧熔炼炉来制备高熵合金铸锭；将熔炼好的高熵合金铸锭放入电火花线切割机中进行切割，制成直径为60mm，厚度为5mm的高熵合金基片，对其进行抛光处理，并重复上述超声波清洗过程，最终制得高熵合金靶材。
步骤2：清洗高熵合金靶材和待处理的基片
将经打磨镜面抛光处理后的高熵合金靶材和待处理的基片依次在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗30min。
步骤3：将空白基片置于预溅射装置内，开启机械泵和分子泵进行抽真空，维持真空度在2.0×10-3pa，用射频电源对空白基片进行30min预溅射，功率为100w。
步骤4：cr过渡层制备
将步骤3处理后得到的基片置于溅射腔体内进行沉积cr过渡层，cr靶材由直流阴极控制，用直流电源沉积2.5min，得到表面镀有120nm的cr过渡层的高熵合金基片；
步骤5：crn过渡层制备
将步骤4溅射后的基片再进行沉积crn过渡层，cr靶材由直流阴极控制，并在溅射时通入氮气，用直流电源沉积3.5min，得到75nm的crn过渡层。
步骤6：氮化物涂层的制备
将步骤5处理后的基片利用高熵合金靶材进行沉积氮化物，由射频阴极控制，真空室的真空度不低于2.0×10-3pa，靶基距：9cm，溅射气体采用ar和n2的混合气体，氩气流量为28.5sccm，氮气流量为11.5sccm，沉积气压：0.68pa，沉积温度：300℃，射频电源功率：200w，溅射时间为120min。
经测试，获得(alsiticrnbv)n涂层即氮化物涂层的厚度为2μm，硬度为67gpa，摩擦系数约为0.16，临界载荷为89n。