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科学研究

成形制造研究所在RARE METALS等一区杂志发表AlCrNbSiTiN自组装高熵纳米复合涂层研究成果

分类:院内新闻 作者: 来源: 时间:2024-04-23 访问量:

        近日,国际著名期刊RARE METALS在线发表我院成形制造研究所杨兵教授团队最新高熵涂层研究成果(https://doi.org/10.1007/s12598-024-02648-2.),论文题为Self-assembled high-entropy nitride multilayer coating。武汉大学为第一通讯单位,博士生张翔宇为论文第一作者,杨兵教授和雷燕讲师为共同通讯作者。


图1 (a) -(b)增韧示意图;(c)沉积原理示意图;(d)高熵涂层XRD图;(e)透射电镜横截面图,图中为相应的SAED图;(f)高分辨TEM-EDS线扫描分析;(g)高分辨形貌图


       AlCrNbSiTiN高熵硬质涂层是刀具和模具领域硬质涂层的研究前沿。为了获得高硬度高韧性涂层,传统方法是采用两种不同的材料交替沉积获取纳米多层涂层,达到增硬和增韧效果(图1a-b)。但制备过程复杂,稳定性差。本论文采用一种创新的成分渐变控制方法,在单一材料中首次实现了多层结构的自组装制备。如图1c所示,其主要利用电弧蒸发源表面等离子体分布不均匀特性,实现在靶中和靶边缘不同区域沉积不同成分的高熵涂层,工件持续旋转形成多层纳米结构(图1e)。在涂层的透射电镜横截面图像中可以看到明显的纳米多层结构(图1e)。涂层的高分辨率透射电镜(HRTEM)图像清楚地显示(Cr, Nb)富集层(layer 2)的厚度约为3.2 nm,正常层(layer 1)的厚度约为9.3 nm,涂层的调制周期约为12.5 nm(图1g)。AlCrNbSiTiN涂层中大量的纳米界面阻断了柱状晶体的生长,降低了裂纹沿晶界穿透涂层的倾向。自组装多层结构的构建改变了涂层的开裂机制,显著提高了高熵涂层的耐磨性,获得了较好的应用效果,为高硬强韧硬质涂层的开发提供了新的思路。


       此外针对工模具涂层耐磨耐温需要,杨兵教授团队还提出了一种新的脉冲电弧离子镀方法制备(AlCrNbSiTi)N高熵氮化物硬质涂层(https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2024.113219)。制备的高熵涂层平均硬度为43.4 GPa,相对于传统直流电弧离子镀技术涂层硬度提高32%,大幅度提高了涂层对工模具的保护效果(图2)。该成果在大型机械加工企业和压铸企业获得了成功应用。


图2 (a)高熵涂层的硬度、弹性模量和(b)涂层的H/E和H3 /E2比值随脉冲电源占空比的变化


       上述研究得到了国家自然科学基金、深圳市科技计划项目和武汉大学中外合作研究基金等资助,并获得了武汉大学科研公共服务条件平台的支持。


       杨兵教授课题组长期以来一直从事特种涂层材料研究,承担了多项重点研发课题、国家自然科学基金及企业横向等项目,开发了系列工模具涂层材料及涂层装备、传感涂层材料及检测系统并实现了工程化应用。为高端制造及运维领域提供了高质量工模具和检测系统。