【摘要】：多基元合金由于具有高強(qiáng)度及優(yōu)異的相穩(wěn)定性,在耐熱硬質(zhì)涂層及光熱轉(zhuǎn)化涂層上具有潛在的應(yīng)用前景。然而目前對(duì)于多基元薄膜合金熱穩(wěn)定性及力學(xué)性能的研究較少,對(duì)其相結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)并不完善,極大地限制了多基元合金薄膜的應(yīng)用與發(fā)展。同時(shí)由于其成分復(fù)雜,采用傳統(tǒng)方法研發(fā)效率較低。為解決這些問題,本論文通過成分調(diào)整及高通量篩選的方法研究了磁控濺射多基元合金及其氮化物薄膜隨溫度及元素變化的組織結(jié)構(gòu)演變,性能上主要研究了力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性以及光熱轉(zhuǎn)化效率的變化規(guī)律。主要工作如下:提出了薄膜的相形成參數(shù)ΩT,并將該參數(shù)應(yīng)用于NbZrTiSiAlNx、NbZrFeCoNiNx與(Ta0.5W0.5)100-x(Cr0.33Fe0.33V0.33)x三種多基元合金薄膜的成分設(shè)計(jì),驗(yàn)證了其可靠性。NbZrTiSiAlNx多基元薄膜,在600℃溫度下具有良好的相穩(wěn)定性,能夠長(zhǎng)時(shí)間地保持非晶相而不發(fā)生晶化。在900℃溫度下,NbZrTiSiAl多基元合金薄膜仍能夠保持良好的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。而該系合金的氮化物薄膜的發(fā)生了納米晶化,生成具有面心立方結(jié)構(gòu)的析出相。此外,700℃下退火24h后,該系薄膜的硬度與楊氏模量均出現(xiàn)了不同程度的下降。由此可見,添加氮元素會(huì)降低NbZrTiSiAlNx系多基元薄膜的熱穩(wěn)定性。過量的氮元素能夠降低NbZrTiSiAlNx多基元薄膜硬度,但少量的氮卻能夠?qū)Ρ∧て鸬綇?qiáng)化作用。隨著沉積溫度的升高,NbZrTiSiAl薄膜中出現(xiàn)了少量納米晶化。其中,NbZrTiSiAl薄膜的硬度隨著沉積溫度的提升而提升。對(duì)于NbZrFeCoNi系多基元薄膜,氮元素含量的提升會(huì)降低薄膜的力學(xué)性能。NbZrFeCoNiNx多基元薄膜在沉積態(tài)為典型的非晶態(tài)薄膜,當(dāng)RN上升至33.3%時(shí),其相結(jié)構(gòu)依然能夠保持穩(wěn)定,但其室溫硬度及楊氏模量隨著氮含量的升高而降低。(Ta0.5W0.5)100-x(Cr0.33Fe0.33V0.33)x多基元合金薄膜,隨著Ta和 W 含量的增高,在x=24處發(fā)生非晶態(tài)向體心立方的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。同時(shí),Ta42W40Cr6Fe6V6薄膜的粗糙度也達(dá)到測(cè)量成分范圍內(nèi)的最大值61.95 nm。由于光阱效應(yīng)的影響,Ta42W40Cr6Fe6V6薄膜的可見光及近紅外波段反射率大大降低,薄膜的可見光吸收率也達(dá)到了測(cè)試成分中的最大值80.91%。非晶態(tài)(Ta0.5WW0.5)100-x(Cr0.33Fe0.33V0.33)x薄膜內(nèi)部體心立方相的生成能夠引起表面硬度的提高。在Ta42W40Cr6Fe6V6成分點(diǎn)處,多基元薄膜硬度達(dá)到最大值,硬度可達(dá)11.5 GPa,為測(cè)試成分范圍內(nèi)所能達(dá)到的最高硬度。在600℃下退火0.5h后,薄膜在x=43處開始出現(xiàn)了BCC相晶粒的形核與生長(zhǎng),薄膜硬度均出現(xiàn)了大幅度的提升,退火后最大硬度可達(dá)20.96 GPa。(Ta0.5W0.5)100-x(Cr0.33Fe0.33V0.33)x多基元合金薄膜中BCC相的增多會(huì)導(dǎo)致薄膜的腐蝕傾向加大,但腐蝕速率沒有出現(xiàn)明顯的變化。在x=43處的薄膜,耐腐蝕性出現(xiàn)明顯的降低。Ta38W38Cr8Fe8V8的接觸角可達(dá)104°,疏水性最好。Ta45W42Cr4Fe5V4的接觸角僅為61°,親水性最佳。而在x=82～33的非晶相區(qū)內(nèi),具有較高高混合熵的薄膜成分的表面能最高,為34.4 mJ·m-2。薄膜中出現(xiàn)BCC相后,表面能逐步提高。具有完全BCC相結(jié)構(gòu)的Ta45W42Cr4Fe5V4薄膜表面能為所測(cè)成分范圍內(nèi)最大,為46.1 mJ·m-2。
【圖文】：

－式中Ｆ—自由度的數(shù)量；逡逑Ｃ－一組成元素的數(shù)量；逡逑Ｐ一一熱力學(xué)平衡條件下相的數(shù)量。逡逑吉布斯相律表明含有多個(gè)元素的凝固系統(tǒng)可以獲得的最大相數(shù)目可以達(dá)逡逑到Ｃ＋１。以傳統(tǒng)合金的經(jīng)驗(yàn)來看，合金中的主元越多越容易產(chǎn)生金屬間化合逡逑物，合金脆性增加、加工性能降低，不利于合金的實(shí)際應(yīng)用。逡逑然而與之相矛盾的是，Ｃａｎｔｏｒ等［５１隨后發(fā)現(xiàn)的ＣｏＣｒＦｅＭｎＮｉ五元合金，逡逑每種元素均具有相等的原子百分比。該合金在室溫下非但不是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，逡逑反而可以保持穩(wěn)定的面心立方固溶體結(jié)構(gòu)。２００４年，葉均蔚等［４９］也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)逡逑并報(bào)道了該合金，并將其固溶體相的形成歸因于組成元素間的高混合熵。從逡逑此，，一種全新的合金概念“高熵合金”被正式提出，并迅速地成為了合金化逡逑領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。由于具有獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)，高熵合金顯示出許多優(yōu)于傳統(tǒng)逡逑合金的性能，如高強(qiáng)度、高初性，高耐磨性，良好的耐腐蝕性、高熱阻、高逡逑電阻率、抗高溫氧化、抗高溫軟化、反常的低溫幵性等［５（）］。逡逑

０邐２邐４邐６邐８邐１０邐１２邐１４邐１６邐１８邐２０邐２２逡逑Ｄｅｌｔａ逡逑圖２－２多基元合金的３相圖１５９１逡逑與公式相比，」／／＿邋－邋３相圖并沒有考慮合金熔點(diǎn)ｒｗ與」對(duì)多基元合逡逑金相形成規(guī)律的影響。在此基礎(chǔ)上，Ｙａｎｇ等提出用參數(shù)Ｏ來預(yù)測(cè)多基元合逡逑金的相結(jié)構(gòu)［５８］。參數(shù)Ｐ反應(yīng)的是混合熵立與混合焓」／ｆｍｉｘ為兩種因素在逡逑多基元合金相形成過程中的相互競(jìng)爭(zhēng)作用。從相圖中可以看出，形成非逡逑晶相的多基元合金一般分布于Ｂ區(qū)域，而形成固溶體相的多基元合金分別分逡逑布于Ｓ和Ｓ＋Ｉ區(qū)域（如圖２－３）。這說明，當(dāng)口＞邋１時(shí)，合金中的混合熵在相逡逑形成過程中占據(jù)主導(dǎo)作用，多基元合金更傾向于形成固溶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)１逡逑時(shí)，合金中的混合焓在相形成過程中占據(jù)主導(dǎo)作用，更傾向于形成非晶態(tài)合逡逑金。目前一般認(rèn)為形成穩(wěn)定固溶體相的多基元合金應(yīng)滿足３＜６．６％
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.2

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本文編號(hào)：2645986