CN101413101A

CN101413101A - 一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法

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Publication number: CN101413101A
Application number: CNA2008102095231A
Authority: CN
Inventors: 梁军; 史国栋; 陈贵清
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: CN101413101B

Abstract

本发明提供一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法。采用电子束物理气相沉积技术，通过电子枪交替蒸发金属和陶瓷靶材来制备的。陶瓷层厚度为1μm，金属层厚度为10～35μm。金属层和陶瓷层的体积分数比即厚度即层厚比为10～35。所用的金属靶材为Ni－20Co－12Cr－4Al(wt％)，陶瓷靶材为含8wt％Y₂O₃的ZrO₂(YSZ)。金属/陶瓷微叠层材料具有大层厚比，因此该材料能在很大程度上保持金属材料的韧性好的特点。同时，叠层结构的存在，限制了金属层中柱状晶的长大，减少了裂纹沿金属晶界扩展的可能性。与单层EB－PVD金属薄板相比，该微叠层材料中的金属层发生脆性沿晶断裂的几率更小，金属层强度更高。

Description

一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及材料科学，具体说就是一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法。

(二)背景技术

电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺是以电子束为热源的一种蒸镀方法，几乎可以蒸发所有的物质。它具有沉积速率高，热效率高以及制备过程污染低等特点。因此，目前已经被用作制备金属薄板的一种方法。通常，EB-PVD薄膜在沉积材料的早期形核阶段会形成等轴状的晶体结构，此后，随着薄膜厚度的增加，柱状晶结构变得越来越明显。许多研究已经表明，在PVD薄膜的柱状晶结构中，通常包含许多较大的晶间孔。即使这些柱状晶间的孔隙率可以通过调整沉积参数而减小，PVD薄膜中柱状晶间的粘结依然是较弱的，裂纹很容易沿着这竖直的晶界扩展，从而引发薄膜的失效。因此，在EB-PVD金属薄板的拉伸断口上通常可以看到两个不同的断裂区。在早期沉积的十几到几十微米的范围内，存在一个明显的韧性断裂区；而之后沉积的薄板的大部分区域，发生的是沿柱状晶界的脆性断裂。这种脆性断裂区的存在，是造成EB-PVD金属薄板力学性能不佳的一个重要原因。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种解决EB-PVD金属薄板强度低，易沿柱状晶晶界发生脆性断裂问题，提高由EB-PVD技术制备的NiCoCrAl金属薄板力学性能的金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明的大层厚比的金属/陶瓷微叠层材料是采用电子束物理气相沉积技术，通过电子枪交替蒸发金属和陶瓷靶材来制备的。陶瓷层厚度为1μm，金属层厚度为10～35μm。金属层和陶瓷层的体积分数比为10～35。所用的金属靶材为Ni-20Co-12Cr-4Al(wt％)，陶瓷靶材为含8wt％Y₂O₃的ZrO₂(YSZ)。

本发明一种金属/陶瓷微叠层材料的制备方法，工艺过程如下：

(1)抽真空：将φ1000mm的基板表面抛光，并在丙酮中超声波清洗10min，吹干后连接到位于工作室顶端的竖直旋转轴上。将NiCoCrAl靶材和YSZ靶材分别放置于两个坩埚内，抽真空到10^-3Pa。

(2)加热基板：采用辐射式加热器将基板加热至500℃以上，排放基板上所吸附的气体。同时烘烤真空室壁，以使吸附的气体在正式蒸发前排放出来，保证蒸发过程中具有较高的真空度。然后采用断续加热的方式调整基板温度和真空度。真空度稳定在10^-3～10^-2Pa之后，使基板温度稳定在预定值±20℃范围内。

(3)沉积剥离层：为了防止高温合金薄板同基板发生粘结，在沉积合金板之前，要先沉积脱模剂氟化钙，加热束流为0.3A。

(4)沉积薄板：采用两把电子枪交替蒸发陶瓷和金属靶材，通过调节电子束电流的大小和熔池大小来控制两种锭料的蒸发量。沉积过程中，基板绕竖直轴旋转，基板转速和温度保持恒定。

以前，人们制备金属/陶瓷微叠层材料的主要目的是想在陶瓷层中插入韧性的金属层以改善陶瓷材料的脆性，因此，在这些微叠层材料中的陶瓷层厚度通常大于或接近于金属层厚度，导致材料较脆。而在本发明中，金属/陶瓷微叠层材料具有大层厚比，即金属层与陶瓷层的厚度比和体积含量比很大，因此该材料能在很大程度上保持金属材料的韧性好的特点。同时，叠层结构的存在，限制了金属层中柱状晶的长大，减少了裂纹沿金属晶界扩展的可能性。因而，与单层EB-PVD金属薄板相比，该微叠层材料中的金属层发生脆性沿晶断裂的几率更小，金属层强度更高。另外，陶瓷层对金属层塑性变形的束缚作用也有利于提高金属层的强度。本发明制备出的金属层厚为35μm的NiCoCrAl/YSZ微叠层材料，在室温、700℃和1000℃时的拉伸强度分别为674Mpa、155MPa和21MPa，比用相同工艺参数制备的单层NiCoCrAl薄板在同样温度下的拉伸强度分别提高了4％、10％和25％。金属层厚度为10μm的NiCoCrAl/YSZ微叠层材料在室温、700℃和1000℃时的拉伸强度分别为691Mpa、221MPa和42MPa，比用相同工艺参数制备的单层NiCoCrAl薄板在同样温度下的拉伸强度分别提高了6％、57％和148％。本发明所用的原料可从市场直接购得。

(四)附图说明

图1为本发明金属层厚度为35μm的NiCoCrAl/YSZ微叠层材料的室温拉伸断口的扫描电镜图；

图2为本发明单层NiCoCrAl薄板的室温拉伸断口的扫描电镜图；

图3为本发明金属层厚度为10μm的NiCoCrAl/YSZ微叠层材料的室温拉伸断口的扫描电镜图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1，结合图1、图2，本发明金属/陶瓷微叠层材料的制备方法，工艺过程之一：

(1)抽真空：将φ1000mm的基板表面抛光，并在丙酮中超声波清洗10min，吹干后连接到位于工作室顶端的竖直旋转轴上。将NiCoCrAl靶材和YSZ靶材分别放置于两个坩埚内，摆放妥当后，抽真空到10^-3Pa。

(2)加热基板：采用辐射式加热器将基板加热至500℃以上，排放基板上所吸附的气体。然后采用断续加热的方式调整基板温度和真空度。真空度稳定在10^-3～10^-2Pa之后，使基板温度稳定在650±20℃范围内。同时，通过电机控制基板转速为6rpm。

(3)沉积剥离层：为了防止高温合金薄板同基板发生粘结，在沉积合金板之前，要先沉积脱模剂氟化钙，蒸发束流为0.3A。

(4)沉积薄板：采用两把电子枪交替蒸发陶瓷和金属靶材。蒸发金属靶材时电子束流被控制为1.9±0.1A，每层沉积时间为15分钟；蒸发陶瓷靶材时电子束流被控制为0.8±0.1A，每层沉积时间为2分钟。

经以上工艺制备得到的金属/陶瓷微叠层材料包含10层35微米厚的NiCoCrAl层和10层1微米厚的YSZ层。它的室温拉伸强度为674MPa，比用相同工艺参数制备的单层NiCoCrAl薄板的拉伸强度提高了4％。700℃时，它的拉伸强度为155MPa，比单层NiCoCrAl薄板的强度提高了10％。1000℃时，它的拉伸强度为21MPa，比单层NiCoCrAl薄板的强度提高了25％。

它的室温拉伸断口的扫描电镜照片如图1所示。如图所示，这些金属层的上部仍存在沿柱状晶界断裂的区域。但与单层金属薄板的拉伸断口(见图2)相比，由于层厚的限制，这些沿晶断裂区所占的比例较小，因此，柱状晶界对这些金属层强度的不利影响较小，这造成该微叠层材料的强度比同样工艺制备的单层金属薄板的强度要大。然而，由于该微叠层材料的金属层中存在脆性断裂区，因而，金属材料的强度和韧性并不能得到充分的发挥。

实施例2，结合图1、图2、图3，本发明金属/陶瓷微叠层材料的制备方法，工艺过程之二：

(4)沉积薄板：采用两把电子枪交替蒸发陶瓷和金属靶材。蒸发金属靶材时电子束流被控制为1.9±0.1A，每层沉积时间为8分钟；蒸发陶瓷靶材时电子束流被控制为0.8±0.1A，每层沉积时间为2分钟。

经以上工艺制备得到的金属/陶瓷微叠层材料包含13层10微米厚的NiCoCrAl层和13层1微米厚的YSZ层。它的室温拉伸强度为691MPa，比用相同工艺参数制备的单层NiCoCrAl薄板的拉伸强度提高了6％。700℃时，它的拉伸强度为221MPa，比单层NiCoCrAl薄板的强度提高了57％。1000℃时，它的拉伸强度为42MPa，比单层NiCoCrAl薄板的强度提高了148％。

它的室温拉伸断口的扫描电镜照片如图3所示。从图3中可以看出，10微米的金属层断口上已经不存在沿晶断裂区。说明此时金属晶界对金属层力学性能的影响已经不重要了，这是造成该微叠层材料的强度比单层金属薄板和金属层厚为35微米的微叠层材料的强度都高的一个重要原因。另外，此时金属材料的韧性在这种尺度的微叠层结构中也得到了充分的利用。

Claims

1.一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法，其特征在于：所述的金属/陶瓷微叠层材料，是采用电子束物理气相沉积技术，通过电子枪交替蒸发金属和陶瓷靶材来制备的；陶瓷层厚度为1μm；金属层厚度为10～35μm；金属层和陶瓷层的体积分数比即层厚比为10～35；所用的金属靶材为Ni-20Co-12Cr-4Al(wt％)，陶瓷靶材为含8wt％ Y₂O₃的ZrO₂(YSZ)。

2.一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法，其特征在于：所述的金属/陶瓷微叠层材料制备方法，具体工艺过程如下：

(1)抽真空：将φ1000mm的基板表面抛光，并在丙酮中超声波清洗10min，吹干后连接到位于工作室顶端的竖直旋转轴上；将NiCoCrAl靶材和YSZ靶材分别放置于两个坩埚内，摆放妥当后，抽真空到10^-3Pa；

(2)加热基板：采用辐射式加热器将基板加热至500℃以上，排放基板上所吸附的气体；同时烘烤真空室壁，以使吸附的气体在正式蒸发前排放出来，保证蒸发过程中具有较高的真空度；然后采用断续加热的方式调整基板温度和真空度；真空度稳定在10^-3～10^-2Pa之后，使基板温度稳定在预定值±20℃范围内；

(3)沉积剥离层：为了防止高温合金薄板同基板发生粘结，在沉积合金板之前，要先沉积脱模剂氟化钙，厚度为5--10微米，加热束流为0.3A；

(4)沉积薄板：采用两把电子枪交替蒸发陶瓷和金属靶材，通过调节电子束电流的大小和熔池大小来控制两种锭料的蒸发量；沉积过程中，基板绕竖直轴旋转，基板转速和温度保持恒定。