一种沉积Dy、Hf改性AlCoCrFeNi高熵合金薄膜提高TiAl合金抗氧化性能的方法

本技术涉及高熵合金薄膜制备领域，更特别地涉及一种沉积dy、hf改性alcocrfeni高熵合金薄膜提高tial合金抗氧化性能的方法。

背景技术：

1、tial合金具有密度低、高温下比强度高、蠕变性能好等优势，因此有望用于航空发动机。随着航空发动机推重比的不断提高，涡轮叶片材料的使用温度也越来越高。众所周知，tial合金在高温下会形成不具保护性的tio2和al2o3混合物，而不是单一连续的al2o3。因此，较差的高温抗氧化性限制了tial合金的应用。添加铌、钨和硅等元素似乎可以增强合金tial的高温抗氧化性，但往往会降低其力学性能。因此，需要一种保护涂层来提高tial合金的高温抗氧化性。mcraly(m＝ni、co或两者)包覆型涂层可保护tial合金在高温下不被氧化。然而，mcraly涂层在与tial合金的相容性方面存在缺陷。tial合金基体与mcraly涂层之间严重的互扩散会导致脆性相的形成和内氧化，从而降低涂层的附着力，最终导致涂层过早失效。因此，有必要开发一种与tial合金基体具有良好相容性的抗氧化涂层。

2、高熵合金(heas)的概念由ye和cantor于2004年提出。高熵合金通常由至少五种原子百分比相等或接近相等的元素组成。高熵合金的特殊结构和优异性能得益于其四大效应，包括高熵效应、严重晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应。高混合熵使高熵合金具有简单的固溶体结构，如面心立方(fcc)、体心立方(bcc)或六方紧密堆积(hcp)，而不是复杂的合金。因此，高熵合金具有优异的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性，有望用作高温防护涂层材料。dong等人采用放电等离子烧结法在ti-6al-4v合金上制备了alcocrfeni2.1tix涂层。研究发现，ti-6al-4v合金表面形成了一层由氧化铝和少量氧化铬组成的致密氧化膜，阻碍了氧的向内扩散，提高了ti-6al-4v合金在800℃下的抗氧化性。zhang等人在316l不锈钢基材上采用气相等离子喷涂法制备了alcocrfenisix高熵合金涂层。800℃下的氧化实验结果表明，适当添加si元素可提高高熵合金涂层的抗氧化性，有望用作热障涂层的粘结层。chang等人在aisi1045钢基体上通过激光熔覆技术制备了fecrxconib涂层，并研究了涂层在900℃下的抗氧化性能。结果发现，当x≥2时，由于形成了连续致密的cr2o3氧化膜，涂层具有良好的抗氧化性。在所有高熵合金中，alcocrfeni体系具有独特的微观结构和良好的力学性能，因此是高温保护涂层的理想候选材料。然而，alcocrfeni在高温下的抗氧化性较差，因为氧化物中含有尖晶石或混合氧化物，这会加速氧化层的大量剥落。

3、众所周知，少量活性元素(res，如dy和hf)可通过改善氧化层的附着力来提高合金和涂层的高温抗氧化性。feng等人报道，掺杂dy可提高al-si涂层的抗氧化性，因为更强的dy-o键增加了氧化层的附着能。此外，多项研究表明，掺杂hf可抑制氧的向内扩散，并在氧化层与基体的界面上形成富含hf的“钉扎”氧化物，从而提高氧化层的附着性。目前，高熵合金涂层通常采用激光熔覆、热喷涂、磁控溅射和电化学沉积等工艺制备。在这些技术中，磁控溅射因其沉积速率高、薄膜结构致密、薄膜厚度可控等优点而日益受到关注。

4、因此，采用活性元素dy、hf对alcocrfeni高熵合金进行改性，通过提高氧化层附着性能来进一步提高tial合金的抗氧化性能是迫切需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种沉积dy、hf改性alcocrfeni高熵合金薄膜提高tial合金抗氧化性能的方法，提高tial合金的抗氧化性能。

2、本技术提供了一种沉积dy、hf改性alcocrfeni高熵合金薄膜提高tial合金抗氧化性能的方法，包括以下步骤：

3、s1、以ti、al、nb为合成原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术，制备ti-45al-8nb基体；

4、s2、称取纯金属原料al、co、cr、fe、ni以及纯活性原料dy、hf，利用真空非自耗电弧熔炼技术制备得到改性alcocrfeni高熵合金靶材；

5、s3、将步骤s1中的ti-45al-8nb基体安装在磁控溅射设备的夹具上，将步骤s2中改性alcocrfeni高熵合金靶材放置在射频靶上，利用磁控溅射技术，得到覆盖改性alcocrfeni高熵合金薄膜的tial合金。

6、优选的，步骤s3中，磁控溅射参数为：ti-45al-8nb基体的温度80～100℃，alcocrfeni高熵合金靶材的功率300w，溅射时间7～8h，气压0.4pa，真空度1x10-4～6x10-4pa。

7、优选的，步骤s1还包括如下步骤：

8、1)将制备的ti-45al-8nb基体采用线切割的工艺切割得到式样，试样采用水磨砂纸磨光后再采用抛光机抛光至镜面；

9、2)将经步骤1)抛光后的ti-45al-8nb基体置于酒精溶液中进行超声波清洗，超声波频率为50～60khz，超声清洗时间10-20min，超声后置于80℃烘箱中烘干。

10、优选的，步骤s2还包括如下步骤：

11、(1)将改性alcocrfeni高熵合金靶材采用线切割的工艺切割并用水磨砂纸磨去表面油污；

12、(2)将经步骤(1)处理后的改性alcocrfeni高熵合金靶材置于酒精溶液中进行超声波清洗，超声波频率为50～60khz，清洗时间为10-20min，然后置于80℃烘箱中烘干。

13、优选的，改性alcocrfeni高熵合金靶材中，dy、hf的掺杂量为0.01-0.03％at。

14、优选的，改性alcocrfeni高熵合金靶材中，al、co、cr、fe、ni的原子比为1：1：1：1：1。

15、优选的，所述步骤1)中，试样先后采用200#，400#，800#，1000#，1200#的水磨砂纸磨光。

16、优选的，所述酒精溶液的质量分数为85-99.9％。

17、优选的，称取纯金属原料al、co、cr、fe、ni以及纯活性原料dy、hf前，对块状、颗粒状及片状纯金属原料al、co、cr、fe、ni与纯活性原料dy、hf进行机械打磨并放入丙酮或无水乙醇中进行超声清洗，去掉氧化膜和沉积物杂质，按照熔点由低到高的顺序依次放入到nb箔中一同包覆并放置于铜坩埚底部，进行熔炼。

18、优选的，熔炼时抽真空至4～5×10-3pa，并充入高纯氩气到1.0×105pa进行保护，在氩气保护下对原料反复熔炼5-6次。

19、因此，本技术采用上述的一种沉积dy、hf改性alcocrfeni高熵合金薄膜提高tial合金抗氧化性能的方法，具有以下有益效果：

20、(1)含0.02at.％活性元素dy、hf的alcocrfeni高熵合金薄膜具有单相bcc的柱状晶体结构，平均晶粒尺寸为21.1nm；

21、(2)含0.02at.％活性元素dy、hf的alcocrfeni高熵合金薄膜在900℃氧化100h的氧化物为具有保护性的al2o3，氧化增重量为0.81mg·cm-2。