高质量高熵合金靶材的制备与应用前景
一、高熵合金：破坏常规的伟大突破
高熵合金的性质
高熵合金由于其成分复杂，形成的晶体结构多为简单的体心立方结构或者面心立方结构，这是由高熵效应驱动的结果。高熵效应能够抵消不同元素间可能存在的晶格失配和化学不相容性，使得成分复杂的合金仍能形成稳定的结构。
高熵合金结构的稳定性，使得它能够在极端环境下仍然保持优良的机械性能，比如高强度、高硬度，以及优良的疲劳和断裂韧性。此外，多元素合金化也使得高熵合金具有较强的电子效应、磁性，以及良好的耐磨、耐腐蚀和耐氧化性能。
高熵合金的类型
根据高熵合金的组成和晶体结构，当前的高熵合金大体可以分为金属型高熵合金、陶瓷型高熵合金、复合型高熵合金、氧化物高熵合金以及硫化物等非金属高熵合金。
金属型高熵合金指的是那些由多种金属元素组成的、形成单相（体心立方或者面心立方）晶格的高熵合金，例如常见的AlCoCrFeNi等。
陶瓷型高熵合金则是由多种陶瓷元素组成的，形成特殊的陶瓷晶体结构。
复合型高熵合金是金属元素和陶瓷元素或者其他非金属元素共同构成的高熵合金，具有复杂的复合相结构。
最后，还有一类是由多种非金属元素组成的高熵合金，例如氧化物高熵合金和硫化物高熵合金等。
二、制备高熵合金靶材的方法
熔炼法：
熔炼法是一种传统且成熟的制备高熵合金的方法：
首先，准备好所有需要的金属元素，它们是通过纯度比较高的金属小块或者粉末形式呈现。然后，按照所需的比例将这些金属元素放入到一个高温炉中（比如电弧炉或感应炉）。
这些金属元素在高温下熔化，将它们混合在一起，融合成一种熔融液体。这个过程需要严密控制炉内的气氛以避免不期望的氧化或是其他化学反应。
经过冷却，熔融的金属会慢慢凝固并形成块状的高熵合金。在冷却阶段也需要控制冷却速率，以得到所需的微观结构。
后续需要进行冷加工和热处理（如淬火和回火）来优化高熵合金的微观结构和机械性能。
当制成条形或板形的高熵合金后，可以通过机械切割或电放蚀来制备出所需形状和尺寸的高熵合金靶材。
电子束熔化：
EBM是制备高熵合金靶材的另一种有效方法：
首先，根据配方将纯金属或合金放入熔炼室，然后在高真空环境下利用高功率电子束加热，使金属或合金熔化。由于电子束的高功率，可以快速将金属加热到显著超过其熔点的温度，从而得到深冶炼状态，有助于金属之间的混合和均化。
其次，控制电子束的移动路径和速度，以保证熔融池的均匀加热。而且，深冶炼和电子束的快速肺熔作用，给予了材料优异的均匀性和偏析程度较低。
然后，通过快速冷却，使得熔池瞬间凝固，进而降低元素偏析，确保了合金的组成及微观结构的均匀性。最后，熔融过后的材料可以通过相应的加工方法（如轧制、拉伸、切割等）制成靶材或其他所需形状。
这种方法主要特点是可以获得纯度高，组成和微观结构均匀的高熵合金靶材。但是成本较高，且设备精密，运行和维护需要专业人员。但对于某些需要超高性能或者有特殊需求的应用（例如高强度、高耐腐蚀、高抗辐照损伤等方向），EBM可能是更好的选择。
激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）：
这是一种基于粉末床的增材制造技术：
首先，将预混合的金属粉末均匀铺设在工作台面上。激光束根据预先设计的几何扫描路径扫描粉末床，光束与金属粉末相互作用产生高温，使其熔化。
随后，当激光束离开时，熔化的材料迅速重新固化形成均质扫描轨迹。并通过对装载设备的平移以及铺设新粉末层的方式，循环这个扫描和固化的过程，从而逐层制造出复杂的三维结构。
SLM技术能够制作出复杂的三维形状的高熵合金靶材，并且粉末床的利用能够抑制材料的氧化，提高材料的纯度。此外，SLM的工艺参数（例如激光功率、扫描速度和扫描策略等）可以精细控制，以调整成品的微观结构，实现优化的材料性能。
然而，SLM技术也存在一些挑战，例如粉末的处理和回收、设备的高原价和操作复杂性等。对于那些需要复杂形状和/或功能性材料设计的应用，SLM可能是一种理想的解决方案。
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）：
PVD是一种制备高熵合金靶材的高精度方法：
首先，将源材料放置在一个真空室中。然后通过加热或者高电子束将源材料气化。这些蒸汽的金属离子在高真空环境中飞越真空室，并在基板上冷却沉积，形成薄膜。
接下来，调整参数以控制离子的能量和到达基板的速度，以便优化沉积的材料的组成、微观结构以及表面形貌，从而影响材料的性能。
PVD的优点在于其能够在室温下进行，并且可确保高的表面精度和优质的材质。此外，可以用它来制造具有复杂微观结构的高熵合金靶材。
然而，PVD通常用于小规模的生产，并且设备通常昂贵、复杂，对运营和维护的要求较高。对于需要精细控制微观结构和性能的应用，例如高性能涂层或电子应用，PVD可能是一个重要的选项。
高能球磨法（High-Energy Ball Milling，HEBM）：
高能球磨法是制备高熵合金靶材的又一种方法，它使用高能冲击以及重复的摩擦来混合和粉碎源材料。其过程包括以下几个步骤：
首先，将各种元素的粉末按照预设的配比进行混合，然后放入高能球磨机中。接着，球磨机将以高速旋转，使其中的磨球对金属粉末进行反复冲击和摩擦，从而产生高熵合金。
随着球磨过程的进行，粉末的大小、形状以及相结构都会发生显著变化，可以制备出非常细小、均匀的高熵合金粉末。这种粉末可以直接用于靶材的制备，或者进一步通过压制和烧结等后处理步骤，获得所需形状和尺寸的靶材。
HEBM的优点在于其可以在室温下制备出细小、均匀的高熵合金粉末，不需要专门的气氛保护和复杂的设备。也可以通过调整球磨参数（如球磨时间、旋转速度等）来优化粉末的性能。
三、高熵合金靶材及其应用
高熵合金靶材的特性：
高熵合金由五种或更多的元素以接近相等的摩尔百分比组成，这种特性使得高熵合金靶材具有超出传统材料的特殊性能。由于其元素组成多样，它展示出优异的热稳定性、抗腐蚀性、高强度，以及良好的磨损抵抗等特性。
高熵合金靶材的应用：
硬质涂层：
高熵合金靶材可以应用于制作具有优异磨损抵抗和耐腐蚀性能的硬点涂层。例如，在制造业中，工具和部件经常会暴露在严苛的工况下，这时候高熵合金涂层可以提供必要的保护，从而显著提高部件的耐用性，降低了维护和更换的成本。
具体的，经防护层处理后的钻头、刀具、模具等，可以显著提高其硬度和耐磨损性，提高成品率，减少工具替换时间，提高生产效率。
磁性材料：
高熵合金具有被利用于制作具有特定磁性质的纳米粒子或薄膜的潜力，这些特定的磁性质对于改进现有的电子设备或制作新型电子设备至关重要。
如用于生产高性能磁性存储媒体的紧凑型硬盘马达，提供高数据存储能力和读取速度。
光电材料：
高熵合金靶材可以实现薄膜或纳米粒子在特定波长的特异性吸收和发射，为高效能太阳能电池、光探测器等设备提供新的材料解决方案。
具体的，比如生产出能吸收从紫外到近红外范围内宽带宽的光电材料, 并将其用于高效太阳能电池的制造中，提高太阳能电池的光电转化效率。
催化材料：
高熵合金靶材能开发出具有特异性催化活性的纳米粒子或者薄膜，为各类化工反应提供新的高效催化器。
例如制备环保催化器的活性组分，这样的催化器可以在化石燃料的燃烧过程中降低有害排放物，减轻对环境的影响。
高熵合金靶材以其独特的物性、化性优势，膨胀了其在各领域的应用空间。在薄膜沉积方面，高熵合金靶材可以用于制备超硬薄膜、摩擦涂层等，这些薄膜在工业生产、汽车、航空航天等领域有广阔的应用。同时，高熵合金靶材由于其优异的导电性和稳定性，也被广泛运用于电池接触材料等电子工业领域。
