[发明专利]一种Mo-Ta-W难熔高熵合金薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种Mo‑Ta‑W难熔高熵合金薄膜及其制备方法。该难熔高熵合金薄膜由Mo、Ta和W等原子比或非等原子比组成，制备方法包括如下步骤：基片超声清洗、吹干并固定在基片台上；将高纯金属靶材Mo、Ta和W放置在三个靶位，并调节靶材相对于垂直于基片台的中心线的角度和靶材与基片台之间的垂直距离；将沉积室抽真空然后通入高纯Ar气，调节工作气压，设置靶材溅射功率，对靶材进行预溅射；然后设置基片旋转并打开基片挡板进行正式溅射，得到该三元难熔高熵合金薄膜。本发明采用多靶直流磁控溅射沉积的方法，得到了成分均匀、致密性好、硬度高的三元难熔高熵合金薄膜。

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种Mo-Ta-W难熔高熵合金薄膜及其制备方法。

背景技术

高熵合金是由五种及以上的等原子比或者近似等原子比的元素组成的。各元素的原子百分比在5％-35％之间，原子随机地占据晶格位置，因此高熵合金具有独特的四大核心效应，即热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、晶格结构的畸变效应和性能的“鸡尾酒”效应。在多种机制的协同作用下，相比于传统金属材料，高熵合金拥有众多出色的性能，如较高的强度和硬度，优异的抗氧化、耐摩擦、耐腐蚀和软磁性能。然而，目前对于高熵合金的定义并没有严格的界定。随着研究的不断深入，研究人员也把三或者四元的多主元合金认为是高熵合金。例如，美国学者基于高熔点元素制备出了具有BCC固溶体结构的WNbMoTa和NbTiVZr四元高熵合金(Sekov O N,et al.Intermetallics,2010,18(9):1758-1765.)。另有学者研究了ZrNbHf三元高熵合金的微观结构，其呈现出BCC固溶体结构(GuoW,et al.Metallurgical and Materials Transactions A,2013,44(5):1994-1997.)。难熔高熵合金是由高熔点的金属元素组成的，例如Nb、Mo、Ta和W等，其在高温下具有较高的热稳定性，在高温领域应用具有很大的优势。难熔高熵合金薄膜一种高熵、具有髙混合熵的合金薄膜。难熔高熵合金薄膜材料不仅展现出与难熔高熵高熵合金块体合金材料相似的优异性能，在一些性能上甚至优于合金块体材料，例如难熔高熵合金薄膜具有更高的硬度和弹性模量、优异的耐磨性能等。因此，难熔高熵合金薄膜可以在传统金属合金或者零部件上作为涂层使用，在极端环境下增加传统合金或者零部件的稳定性，同时可以为工程物体表面提供所需的性能。

磁控溅射沉积具有沉积速率高、成膜质量好、性能可控、与基底结合强度好等特点，成为一种最常见的薄膜制备方法。目前采用的磁控溅射沉积制备难熔高熵薄膜的方法多是单靶磁控溅射沉积法，即溅射靶材采用的是单一的合金靶材。该种方法需通过电弧熔炼或者粉末冶金的方法制备高纯度的合金靶材，因此合金靶材的成分均匀性很大程度上决定了沉积制备薄膜的成分的均匀性。但是，目前单靶磁控溅射沉积在制备高熵难熔合金薄膜时，需要首先制备高熵难熔合金靶材，由于合金主元的熔点都相对较高，制备较为困难，并且在调整薄膜成分时需重新沉积制备相应成分的合金靶材，增加了设计成本，降低了薄膜制备的效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种Mo-Ta-W难熔高熵合金薄膜，该高熵合金薄膜采用多靶直流磁控溅射沉积技术制得，该高熵合金薄膜的组元数为三元，具有单相结构，其硬度比现有NbMoTaW四元难熔高熵合金薄膜具有显著提高。

为了实现上述目的，本发明提供一种Mo-Ta-W难熔高熵合金薄膜，所述难熔高熵合金薄膜由Mo、Ta和W等原子比或者非等原子比组成；

其中，当该难熔高熵合金薄膜的成分以等原子比组成时，化学式记为MoTaW；

当该难熔高熵合金薄膜的成分以非等原子比组成时，化学式记为Mo_aTa_bW_c；其中，a、b、c均表示原子比，a的取值范围是0.31～0.40，b的取值范围是0.21～0.35，c的取值范围是0.29～0.47，且a+b+c＝1；

其中，该Mo-Ta-W难熔高熵合金薄膜的制备方法，包括如下步骤：