CN103896635B - 粉末状陶瓷材料的表面合金化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了粉末状陶瓷材料的表面合金化方法，粉末状陶瓷材料的表面合金化是在一个加弧辉光离子渗镀装置中进行的，所述加弧辉光离子渗镀装置具有一个倾斜设置在底部的、可旋转的阴极座，阴极座上固定有用于容置陶瓷粉末的料筒，阳极靶座位于阴极座的对侧，与阴极座同轴设置，在阳极靶座上固定有复合靶渗镀源，电弧极固定在复合靶渗镀源的周边，通过合理的加弧辉光离子渗镀工艺，制成钛-铜-铝／陶瓷粉末复合材料。本发明的有益效果是：制备工艺先进合理，连续紧凑，制备的陶瓷粉末复合材料离子渗镀均匀，性能优良，可供高技术领域陶瓷材料使用。

Description

粉末状陶瓷材料的表面合金化方法

技术领域

本发明涉及粉末状陶瓷材料的表面合金化方法，属陶瓷材料表面金属化技术领域。

背景技术

陶瓷材料由于具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及抗绝缘性好等优点，在高温结构领域中占有非常特殊的地位；基于其所具有的某些独特的物理性能，被广泛用作传感器的功能元件。

粉末状陶瓷通过粉末冶金方法可以制成陶瓷复合材料。该方法具有温度低，颗粒与基体的混合比较均匀，偏析或结团现象不太严重等优点。同时，粉末冶金还可以按照复合材料的性能要求，任意调整增强物的加入比例，气体雾化快速凝固使合金粉末的显微结构细化，平均晶粒尺寸可达50μm，因此，粉末冶金法合成的陶瓷复合材料机械性能较高。

但是，由于陶瓷与金属的热物理性能差异较大，陶瓷材料与金属在1000℃以下时的接触角均大于90°，致使两者间润湿性很差，因此在较低温度下制备复合材料时，陶瓷与金属的界面结合强度较差。目前通过加弧辉光渗镀的方法，已经成功在块状陶瓷材料表面镀上Ti等金属元素。Ti具有很高的化学活性，能与许多元素发生反应。活性金属Ti与陶瓷材料发生反应，生成的金属间化合物与金属性能接近，从而能有效改善陶瓷与金属的润湿性，增加界面结合强度。

然而，采用加弧辉光渗镀方法在陶瓷粉末表面进行渗镀还存在一定的困难。与块状陶瓷渗镀相比，首先，陶瓷粉末表面渗镀的粉末尺寸达到了微米级，尺寸大大的减小，增加了渗镀的难度。其次，块状陶瓷渗镀是在二维平面上进行渗镀，陶瓷粉末渗镀是在三维颗粒上渗镀，对于如何使陶瓷粉末渗镀均匀，镀层厚度的控制等方面都有一定的难度。另外，粉末在渗镀的过程中，对工艺参数的把握也存在着一定的难度，与块状陶瓷渗镀相比，粉末在渗镀的过程中是不断运动着的，复合靶与粉末的距离以及粉末在渗镀过程中速度的控制有一定的难度，如何做到保证渗镀质量的同时又提高了渗镀的效率，上述问题都是加弧辉光渗镀方法在陶瓷粉末表面进行渗镀的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供粉末状陶瓷材料的表面合金化方法，利用加弧辉光表面复合渗镀技术对陶瓷粉末材料进行表面改性，以制成性能优良的陶瓷粉末复合材料。

本发明提供的粉末状陶瓷材料的表面合金化方法是在一个加弧辉光离子渗镀装置中进行的，所述加弧辉光离子渗镀装置具有一个倾斜设置在底部的、可旋转的阴极座，机械转动部分采用变速系统来控制粉末在渗镀过程中的运动速度，阴极座上固定有用于容置陶瓷粉末的料筒，料筒内壁上斜向设置有若干条彼此平行的板条，内部采用螺旋式结构，阳极靶座位于阴极座的对侧，与阴极座同轴设置，在阳极靶座上固定有复合靶渗镀源，电弧极固定在复合靶渗镀源的周边，包括如下步骤：

(1)将陶瓷粉末材料置于料筒内，关闭加弧辉光离子渗镀装置，

(2)保持装置中为工作气压15Pa的氩气气氛，

(3)在料筒旋转的状态下，在阳极靶座与阴极座之间施加辉光电压，并逐渐增压至400V，持续阴极雾化作用10-20min，

(4)在阳极靶座与电弧极之间通以电弧电流，调节电弧电流至60A，对陶瓷粉末渗镀30-50min，

(5)关闭电弧电流，保持辉光电压下的阴极雾化作用10-20min后，

(6)关闭辉光电压，将旋转的陶瓷材料在真空状态下自然冷却，得到复合渗镀表面合金化的陶瓷材料粉末。

其中所述的步骤(2)又包括以下步骤

A接通电源，开启真空泵，抽取真空炉内空气，使真空炉中真空度达1×10^-3Pa；

B往真空炉中充入氩气，使炉内工作压力达到15Pa，继续抽真空至1×10^-3Pa，再充氩，如此进行3～5次，保持炉内工作压力在15Pa.

其中，所述的复合靶渗镀源为一个具有镶嵌结构的圆柱形复合靶，所述复合靶最外层为纯铝材料，中间层为纯铜材料，中心为纯钛材料，三种材料同轴布置。所述复合靶的尺寸为Φ65mm×40mm，其中中间层外径Φ45mm，中心层外径Φ30mm。

所述复合靶渗镀源与料筒中陶瓷粉末材料的距离保持在150-200mm。

本发明在块状陶瓷表面加弧辉光渗镀的基础上，针对粉末状陶瓷材料的特性，通过对加弧辉光离子渗镀装置的改进，提出了在粉末陶瓷表面进行渗镀合金化。本发明的有益效果是：首先，容置陶瓷粉末的料筒倾斜转动，机械转动部分采用变速系统来控制粉末在渗镀过程中的运动速度。在料筒的内壁上斜向设置有若干条彼此平行的板条，内部采用螺旋式结构陶，这样，随着料筒的倾斜转动，其中的陶瓷粉末不停翻转，加上板条的作用，保证了陶瓷粉末在渗镀的过程中上下混合均匀，保证了渗镀的均匀性。同时，以钛、铜和铝金属制成复合靶，在真空炉中对陶瓷粉末材料进行表面改性，制成钛-铜-铝／陶瓷粉末复合材料，提高了陶瓷粉末的界面塑性。采用加弧辉光复合渗镀技术，通过辉光的清理作用、加热、复合渗镀工艺，在真空状态下制成钛-铜-铝／陶瓷粉末复合材料，制备工艺先进合理，连续紧凑，制备的陶瓷粉末复合材料可供高技术领域陶瓷材料使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明加弧辉光离子渗镀装置的结构示意图。

图2为本发明所述复合靶的剖视结构图。

图3为本发明所述复合靶的A向视图。

图4为本发明加弧辉光离子渗镀装置料筒的剖视结构图。

图5为本发明加弧辉光离子渗镀装置料筒的A向视图。

图6为本发明加弧辉光离子渗镀装置料筒的侧壁展开效果图。

图7为本发明陶瓷粉末材料复合渗镀工艺曲线图。

图8为本发明加弧辉光离子渗镀粉末界面显微图片。

图中：1.阳极靶座，2.电弧极，3.炉壁，4.夹套，5.陶瓷粉料，6.料筒，7.阴极座，8.密封垫圈，9.金属复合靶，10.绝缘垫圈，11.密封垫圈，12.电弧电源，13.辉光电源14.纯铝材料，15.纯铜材料，16.纯钛材料。

具体实施方式

为了能更清楚地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1

图1所示为一个加弧辉光离子渗镀装置，由一个带有夹套的密闭性炉壁构成，其炉壁夹套内通有循环水，炉壁底部分别设有抽真空口和充氩气口。

阴极座安装在炉壁内的底部，倾斜设置，可沿阴极座轴旋转。在阴极座上固定有一个图4、图5所示的采用304奥氏体不锈钢制作的料筒，料筒规格Φ300mm×30mm×1mm，如图6所示，在料筒的内壁上斜向设置有6条彼此平行的不锈钢板条。料筒中放置陶瓷粉末，实施例中为B₄C陶瓷粉末。

阳极靶座固定在阴极座对侧的炉壁上，与阴极座同轴设置。在阳极靶座上固定有复合靶渗镀源。复合靶渗镀源结构如图2、图3，为一个具有镶嵌结构的圆柱形复合靶，尺寸Φ65mm×40mm，复合靶的最外层为外径Φ65mm的纯铝材料，中间层为外径Φ45mm纯铜材料，中心为外径Φ30mm纯钛材料，三种材料同轴布置，通过机械加工的方法制成镶嵌结构。复合靶渗镀源与料筒中B4C陶瓷粉末材料的距离保持在150-200mm。

电弧极固定在复合靶渗镀源的周边。在阳极靶座与阴极座之间连接有辉光电源，阳极靶座与电弧极之间连接有电弧电源。

将陶瓷粉末材料1000g搅拌均匀后，置于不锈钢料筒中，将复合靶渗镀源安装在加弧辉光离子渗镀真空炉的阳极靶座上，复合靶与不锈钢料筒中陶瓷粉末材料的距离在保持150-200mm，关闭真空炉。

粉末状陶瓷材料表面合金化工艺过程如图7。

接通电源，开启真空泵，抽取真空炉内空气，使真空炉中真空度达1×10^-3Pa；往真空炉中充入氩气，使炉内工作压力达到15Pa，继续抽真空至1×10^-3Pa，再充氩，如此进行3～5次，保持炉内工作压力在15Pa。

接通阴极座转动电源，使放置陶瓷粉末材料的不锈钢容器开始旋转，陶瓷粉末材料跟随容器发生转动；同时接通加弧辉光离子渗镀真空炉炉壁和复合靶座上的循环冷却水。

接通阳极复合靶与阴极之间的辉光电源，辉光电压600V，阴极雾化作用持续10-20min。

接通阳极复合靶与电弧极之间的电弧电源，电弧电流60A，渗镀时间30-50mi n。

关闭电弧电源，辉光电源再工作10-20min后，关闭辉光电源，粉末状陶瓷材料在真空状态下和循环水冷却下，随炉自然冷却到25℃以下。

关闭真空泵，停止抽真空；关闭循环水冷却器，停止冷却；开启真空炉，取出复合渗镀三元Ti-Cu-A1合金的粉末状陶瓷复合材料。

将制备得到的表面合金化陶瓷粉末材料储存于无色透明的玻璃容器中，置于密闭、清洁、阴凉、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐腐蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10％。

图8为离子辉光渗镀后的陶瓷界面显微组织，由图可知，离子在渗镀的过程当中均匀的渗镀在了陶瓷材料表面。

实施例2

将料实施例1中所述的B₄C陶瓷粉末替换成ZrO₂陶瓷粉末，其他条件不变，制备完成以后，产品在显微镜下观察，离子辉光渗镀后的陶瓷界面显微组织，离子在渗镀的过程当中己均匀的渗镀在了ZrO₂陶瓷材料表面。

实施例3

将料实施例1中所述的B₄C陶瓷粉末替换成Si₃N₄陶瓷粉末，其他条件不变，制备完成以后，产品在显微镜下观察，离子辉光渗镀后的陶瓷界面显微组织，离子在渗镀的过程当中已均匀的渗镀在了Si₃N₄陶瓷材料表面。

本发明涉及一种粉末状陶瓷材料表面合金化方法，是针对粉末状陶瓷复合材料制备，采用铝棒、铜棒和钛棒机械加工而成的镶嵌结构的复合靶作渗镀源、陶瓷粉末粉做原料，采用加弧辉光复合渗镀离子的方法，在真空状态下制成铝-铜-钛合金化陶瓷粉末材料，容器一边转动一边渗镀，保证渗镀的均匀性。此制备方法工艺先进合理，连续紧凑，数据翔实准确；此复合靶材料配比合理，渗镀后陶瓷粉末材料具有稳定的物理化学性能和力学性能，可用此材料制备各种陶瓷复合材料，是十分理想的陶瓷粉末复合材料的制备方法。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (3)

1.粉末状陶瓷材料的表面合金化方法，其特征在于，粉末状陶瓷材料的表面合金化是在一个加弧辉光离子渗镀装置中进行的，所述加弧辉光离子渗镀装置具有一个倾斜设置在底部的、可旋转的阴极座，机械转动部分采用变速系统来控制粉末在渗镀过程中的运动速度，阴极座上固定有用于容置陶瓷粉末的料筒，料筒内壁上斜向设置有若干条彼此平行的板条，内部采用螺旋式结构，阳极靶座位于阴极座的对侧，与阴极座同轴设置，在阳极靶座上固定有复合靶渗镀源，所述的复合靶渗镀源为一个具有镶嵌结构的圆柱形复合靶，所述复合靶最外层为纯铝材料，中间层为纯铜材料，中心为纯钛材料，三种材料同轴布置，所述复合靶的尺寸为Φ65mm×40mm，其中中间层外径Φ45mm，中心层外径Φ30mm，电弧极固定在复合靶渗镀源的周边，包括如下步骤：

(1)将陶瓷粉末材料置于料筒内，关闭加弧辉光离子渗镀装置，

(2)保持装置中为工作气压15Pa的氩气气氛，

(3)在料筒旋转的状态下，在阳极靶座与阴极座之间施加辉光电压，并逐渐增压至400V，持续阴极雾化作用10-20min，

(4)在阳极靶座与电弧极之间通以电弧电流，调节电弧电流至60A，对陶瓷粉末渗镀30-50min，

(5)关闭电弧电流，保持辉光电压下的阴极雾化作用10-20min后，

(6)关闭辉光电压，将旋转的陶瓷材料在真空状态下自然冷却，得到复合渗镀表面合金化的陶瓷材料粉末。

2.根据权利要求1所述的粉末状陶瓷材料的表面合金化方法，其特征在于，所述的步骤(2)包括以下步骤

A接通电源，开启真空泵，抽取真空炉内空气，使真空炉中真空度达1×10^-3Pa；

B往真空炉中充入氩气，使炉内工作压力达到15Pa，继续抽真空至1×10^-3Pa，再充氩，如此进行3～5次，保持炉内工作压力在15Pa。

3.根据权利要求1所述的粉末状陶瓷材料的表面合金化方法，其特征在于，所述复合靶渗镀源与料筒中陶瓷粉末材料的距离保持在150-200mm。