一种单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层及制备方法

本发明涉及材料表面涂层，尤其是一种陶瓷涂层技术，具体地说是一种单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术：

1、在传统陶瓷中，过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物因具有出色的性能，包括高熔点、高硬度和弹性模量、优异的化学和热稳定性以及高导热性，已被广泛用于例如切削工具和电子设备等领域中。在切削工具领域中，高硬度显然是一个非常受追捧的特性，因为它可以防止刀具在极端工作压力下的磨损，以延长其寿命并提高加工性能。通常，硬度增强是通过限制位错和滑移、减少材料中的塑性变形来实现的，然而，这会导致材料脆化、抗损伤容限显著降低。因此，为了提高涂层工具的耐用性，有必要设计具有强韧特性的涂层材料。

2、自2004年以来，高熵合金的出现突破了传统的材料设计理念，大大拓展了成分空间。随着rost等人首次报道的高熵氧化物（mgnicocuzn）o，“高熵”的概念被引入陶瓷中，并激发了高熵陶瓷的研究兴趣。高熵陶瓷是基于间隙相的固溶体，含有4种或更多种金属元素，由于熵稳定性赋予高熵氮化物独特的物理和机械性能，使得它们在硬度、断裂韧性、耐腐蚀性和高温稳定性方面超过了传统的氮化物陶瓷，因此高熵陶瓷引起了越来越多的关注。虽然高熵氮化物的硬度和韧性较传统氮化物陶瓷有较大幅度的提升，但由于摩擦系数相对较大（约0.8），其抗磨损性能没有明显的改善。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的高熵陶瓷抗磨损性能不高难以满足使用要求的问题，发明一种单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层及制备方法，本发明的高熵碳氮化物陶瓷与相应的高熵氮化物陶瓷相比，显示出更高的硬度、韧性和耐磨性。

2、本发明的技术方案之一是：

3、一种单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层，其特征在于：在高熵氮化物涂层的基础上引入碳元素，借助双阴离子晶格结构的高晶格畸变效应与晶粒细化机制，对涂层同时进行增硬和增韧；过饱和析出的无定形碳起到自润滑的作用，解决高熵氮化物摩擦系数大，磨损率较高的问题；所述高熵碳氮化物陶瓷涂层，由过渡族金属元素、碳元素和氮元素组成，所述过渡族金属元素由ti、zr、nb、mo四种元素和第六周期过渡金属元素hf、ta、w中任意一种元素组成，其中过渡族金属元素在高熵碳氮化物陶瓷涂层中的摩尔分数为5~15％，所述碳在高熵碳氮化物陶瓷涂层中的摩尔分数为25％～30％，所述氮在高熵碳氮化物陶瓷涂层中的摩尔分数为25％～30％，所述高熵碳氮化物涂层均为单相岩盐结构。

4、本发明提供的高熵氮化物陶瓷涂层硬度高于40gpa，抗弹性破坏应变（h/e）高于0.1，在大气环境中，往复频率5hz、载荷5n，φ6mm zro2对磨摩擦副和干摩擦条件下60min内未发生涂层剥落，摩擦系数小于0.4，涂层的磨损率小于2.2×10-7 mm3·n-1·m-1。

5、本发明的技术方案之二是：

6、一种单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

7、步骤一：将基体放置在真空腔体内，通入高纯氩气控制真空腔气压为0.33~0.8pa，控制脉冲偏压为-800~-600v，氩气辉光放电产生等离子体对基底表面进行活化清洗。

8、步骤二：在基体表面进行磁控溅射厚度为200～500nm的mo过渡层沉积，过渡层磁控溅射气源为氩气，磁控溅射室气压为0.4～0.8pa；磁控溅射的阴极靶材为mo单质的金属靶材。

9、步骤三：在过渡层表面进行脉冲直流反应磁控溅射，脉冲直流反应磁控溅射气源为氩气、甲烷和氮气，氮气、甲烷和氩气的流量比为(3-x): x:7、 x=1~1.5，反应磁控溅射室工作气压为0.4～0.8pa；脉冲直流反应磁控溅射的阴极靶材为ti、zr、nb、mo和x(x=hf、ta或w)单质的金属靶材；样品上施加的偏压为-150～-70v；沉积温度为400～450℃。

10、优选的，所述碳化物陶瓷层的厚度为1.5～8μm。

11、本发明的陶瓷涂层可应用于核电设施、加工工具、航天航空装备或医疗器械等领域耐磨、耐蚀、耐高温表面功能涂层中。

12、本发明的有益效果是：

13、本发明的陶瓷涂层硬度高于40gpa，抗弹性破坏应变（h/e）高于0.1，在大气环境和干摩擦条件下60min内不发生涂层磨穿和剥落，摩擦系数小于0.4，摩擦系数降低到现有高熵氮化物陶瓷的一半，同时磨损率较现有高熵氮化物陶瓷降低了一个数量级。

技术特征：

1.一种单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层，其特征在于：在高熵氮化物涂层的基础上引入碳元素，借助双阴离子晶格结构的高晶格畸变效应与晶粒细化机制，对涂层同时进行增硬和增韧；过饱和析出的无定形碳起到自润滑的作用，解决高熵氮化物摩擦系数大，磨损率较高的问题；所述高熵碳氮化物陶瓷涂层，由过渡族金属元素、碳元素和氮元素组成，所述过渡族金属元素由ti、zr、nb、mo四种元素和第六周期过渡金属元素hf、ta、w中任意一种元素组成，其中过渡族金属元素在高熵碳氮化物陶瓷涂层中的摩尔分数为5~15％，所述碳在高熵碳氮化物陶瓷涂层中的摩尔分数为25％～30％，所述氮在高熵碳氮化物陶瓷涂层中的摩尔分数为25％～30％，所述高熵碳氮化物涂层均为单相岩盐结构。

2.根据权利要求1所述的单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层，其特征在于，所述高熵氮化物陶瓷涂层硬度高于40gpa，抗弹性破坏应变（h/e）高于0.1，高熵氮化物陶瓷涂层在大气环境、高速和重载条件下干摩擦60min内不发生涂层磨穿和剥落，涂层摩擦系数小于0.4。

3.一种权利要求1所述的单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，应用于加工工具领域时，在高速钢和硬质合金刀具基体和高熵碳氮化物陶瓷涂层间增加一层厚度为200～500nm的mo过渡层改善涂层与基体的界面结合状态，以满足其恶劣工况下的使用需求，过渡层采用磁控溅射的方法制备，过渡层磁控溅射气源为氩气，磁控溅射室气压为0.4～0.8pa；磁控溅射的阴极靶材为mo单质的金属靶材。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，制备好的陶瓷涂层在氩气保护条件下进行退火，改善或消除涂层制备过程中所产生的组织缺陷以及残余应力、防止涂层开裂和剥落，包括以下步骤：

6.一种权利要求1所述的单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层，其特征在于，所述的陶瓷涂层应用在加工工具、航天航空装备、海洋装备或医疗器械领域耐磨、耐蚀、耐高温表面功能涂层中。

技术总结
一种单相岩盐结构的减摩耐磨高熵碳氮化物陶瓷涂层及制备方法，其特征在于该涂层由过渡族金属元素和非金属元素碳、氮组成，所述过渡族金属元素由Ti、Zr、Nb、Mo四种元素和第六周期过渡金属元素Hf、Ta、W中任意一种元素组成。制备后应在氩气保护条件下进行退火后，涂层硬度高于40GPa，抗弹性破坏应变（H/E）高于0.1，在大气环境和干摩擦条件下60min内不发生涂层磨穿和剥落，摩擦系数小于0.4，摩擦系数降低到现有高熵氮化物陶瓷的一半，同时磨损率较现有高熵氮化物陶瓷降低了一个数量级。本发明提供的强韧耐磨的高熵碳氮化物陶瓷涂层在加工工具、航天航空装备、海洋装备或医疗器械等领域耐磨、耐蚀、耐高温表面功能涂层领域中具有广阔的应用前景。

技术研发人员：易思广,卢文壮,杜星祝,孙玉利,左敦稳,吴超逸,金坚,徐洛
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15