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高功率脉冲磁控溅射技术低温制备Ti3AlC2 MAX相涂层

MAX,Ti3AlC2,高功率脉冲（HiPIMS）磁控溅射

MAX相是一类三元纳米层状碳化物或氮化物，兼具金属和陶瓷的抗氧化、耐腐蚀、抗辐照、良好的导电和导热等优异性能。尤其是，Al基MAX相中高活度Al能够在表面形成致密的保护性Al₂O₃层、填充微裂纹等缺陷，以实现强耐蚀和缺陷自愈合。并且，TiAl基MAX相的热膨胀系数与Al₂O₃最为接近，作为防护涂层在航空航天、涉海装备等领域应用前景广阔。但是，MAX相长c轴的复杂结构，以及传统PVD技术（磁控溅射、电弧离子镀）对沉积原子的动力学限制，特别是Ti₃AlC₂，高纯相涂层的制备温度往往≥800 ℃，极大地限制了其在温度敏感基底上的应用。高功率磁控溅射（HiPIMS）是近年来发展的一种新型PVD技术，具有低占空比高离化的特点，可提高溅射粒子的密度和能量，有利于实现涂层的有序低温高致密沉积。本文通过HiPIMS技术在Ti-6Al-4V基底沉积了Ti-Al-C涂层，在700 ℃下退火后成功转变为了高纯致密的Ti₃AlC₂ MAX相。研究结果表明，与传统磁控溅射所沉积的涂层呈非晶结构不同，由于HiPIMS高等离子体密度和能量，促进了沉积粒子在基体表面的扩散和迁移，沉积态涂层为结晶TiAl_x化合物，这对后续热处理中涂层原子扩散和固相反应十分有利。进一步的原位XRD表明，Ti₃AlC₂ 最早在450 ℃开始结晶，且并未有中间相的产生，这也是迄今为止达到的最低合成温度。此外，相较于传统磁控溅射技术，高功率脉冲磁控溅射所制备的MAX相涂层具有更致密、更光滑的结构形貌。本研究为低温可控制备Ti₃AlC₂ MAX相涂层提供了一种可行的预结晶的反应途径，可广泛应用于其他各种MAX相材料中。