CN108220700B

CN108220700B - 一种铝钛铌三元合金靶材及其制备方法

Info

Publication number: CN108220700B
Application number: CN201810044756.4A
Authority: CN
Inventors: 余鹏
Original assignee: Hunan Huidong New Material Co ltd; Changsha Xunyang New Material Technology Co ltd
Current assignee: CHANGSHA XUNYANG NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.; Hunan Huidong New Material Co.,Ltd.
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: CN108220700A

Abstract

一种铝钛铌合金靶材及其制备方法，该铝钛铌靶材由以下原子百分比的原料制成：铝 50%~75%；钛 25~40%；铌 0.5~25%。本发明还包括铝钛铌合金靶材的粉末热压烧结和真空热处理方法。本发明利用铝、钛、铌之间原子扩散实现冶金结合，在温度和压力的共同作用下，获得致密度高的铝钛铌三元合金靶材，是一种短流程、易操作的粉末冶金靶材生产过程。

Description

一种铝钛铌三元合金靶材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种在金属刀具或工具等表面提供高硬度涂层的同时，可以使涂层具有较好的抗热震能力的铝钛铌三元合金靶材及其制备方法，属于金属材料粉末冶金烧结及真空镀膜应用的技术领域。

背景技术

在金属或者硬质合金刀具、工具以及模具的使用时，常常会因为摩擦等原因造成表面局部温度升高，导致材料硬度降低，甚至表面发生氧化，使材料失去可以提供的物理、力学性能。随着加工精度要求的提升和加工速率的提高，对刀具、工具和模具表面在高温下服役能力的要求也不断提高，一方面需要材料表面抗氧化能力提高，另一方面，随着温度快速的升高和加工时冷却液的使用，需要刀具、工具和模具表面的涂层具有优良的热震性能，同时还应具备高的表层硬度，满足刀具、工具以及模具的使用要求。

在金属或者硬质合金刀具、工具以及模具表面涂层的制备过程中，采用具有特殊性能的材料制成靶材，通过真空溅射的方式，可以获得不同特性的涂层。如使用金属钛靶材，在工具、刀具和模具表面获得TiN、TiCN涂层；使用金属铬靶材，可以采用同样的镀膜技术获得CrN、CrCN等涂层；也可以将上述几种靶材配合使用，获得TiN/AlN涂层、TiN/CrN涂层、Ti/Fe/Cr/N涂层等（黄选民，电镀与精饰，2009年31卷：12页）。但是这类涂层可以承受的温度不能太高，在工具或刀具使用过程中，因为摩擦的缘故，当温度达到400℃以上时，涂层表面会迅速氧化，硬度会下降，同时如果在加工过程中由于冷却液的作用，产生温度迅速的升温和降温，更容易使涂层产生剥落，失去服役性能效果。

为了获得在高温下抗氧化性好、具有抗热震能力、同时硬度高的涂层，需要开发和制备新型不同成分的靶材，通过在靶材中添加提高涂层特性的元素，实现对涂层某种服役特性的提升。例如，ZL200910043144.4提供了一种钛铝靶材及其制备方法，从而制备出Ti-Al合金靶材，改善了纯钛靶材的特性，进一步改善了镀膜膜层的硬度和耐热性。专利CN201510059082.1公开了在一种钛铝合金表面抗高温氧化的Al-Cr涂层的方法，用到了新型的Al-Cr合金靶材。专利CN201510173094.7公开了一种钛铝锆铌/氮化钛铝锆铌四元氮梯度膜的制备方法，可以有效地改善膜层的抗高温氧化性能，该制备方法是选用一个铌靶、三个钛铝锆合金靶的组合方式，共同溅射获得需要的膜层。专利CN201310515573.3公开了一种氮化钛铝铌氮梯度硬质反应膜的制备方法，使用Ti︰Nb=75︰25和Ti︰Al=50︰50的两种靶材一起溅射获得氮化钛铝铌氮涂层提高硬度。专利CN201610555545.8采用的是Al︰Ti=55︰45和Ti︰Nb=55︰45的两个靶材来制备钛铝铌氮化物硬质膜层的技术，来提高涂层的硬度和耐氧化性。

以上相关技术表明，要获得具有特殊性质的涂层，靶材的应用和成分选择是关键因素之一。而靶材用到的一些合金元素，因为元素的性质相差很大，要制成特定成分含量的靶材有很大的难度，因此，往往需要两种或者多种靶材共同使用，才能实现涂层的制备，这样对涂层成分、镀膜工艺、膜层性能的稳定性影响都很大，最佳的靶材制备方案应该是将需要的合金元素，按适当的比例添加在一起，制备一种一定含量的单一靶材，来进行溅射镀膜，才能确保膜层质量的稳定。针对抗高温氧化性和抗热震性能优良的铝钛铌靶材，因为元素铝、钛、铌性质相差很大，很难做成三元的铝钛铌靶材。所以，在之前的专利和文献报道的工艺中，都是用不同成分的铝钛靶材、钛铌靶材来一起溅射镀膜，虽然该镀膜工艺可以获得Al-Ti-Nb的三元膜层，但是由于靶材个数多，每个靶材里合金成分差别大，造成膜层成分不好控制，影响涂层的质量。因此，本发明是要设计和制备一种铝钛铌三元合金靶材及其制备技术，来满足镀膜的要求。专利CN201310681315.2和CN201310681313.3提供了高温抗疲劳的三元钛铝铌合金和三元钛铝铌合金焊丝，但是其成分中差别，铝的含量在1.5%～3.5%，铌的含量在10%~16%，其余为钛，这个合金成分完全不能满足作为铝钛铌靶材使用要求，而且该合金采用真空熔炼技术生产，也不能满足铝钛铌靶材对显微组织晶粒尺寸控制的要求，无法采用该工艺制备出铝钛铌合金靶材。

因此，根据使用要求，开发出具备抗热震能力的高硬度涂层使用的铝钛铌合金靶材，避免不同合金元素性质的差异，获得特定种类和成分的靶材和特别的制备工艺，是开发镀膜膜层的重要关键技术基础。

发明内容

本发明针对开发一种具有抗热震的高硬度涂层用铝钛铌合金靶材，进行成分设计和制备工艺开发，从而满足在刀具或工具表面涂层在使用过程中产生高温时，涂层在800℃以内不发生氧化，可以在800℃温度下使用。

本发明制备抗热震高硬度涂层所使用的靶材采用的技术方案是：

采用在一定配比的铝和钛的合金靶材中添加耐高温的合金元素铌。所述铝钛铌三元合金靶材，以原子百分比计，至少包含50%的铝，至多含有25%的钛。

所述铝钛铌三元合金靶材，以原子百分比计包括下述组分：

铝 50%~75%；

钛 25~40%；

铌 0.5~25%。

所述合金靶材还包含杂质，所述杂质含量小于0.05%。

所述铝钛铌三元合金靶材的致密度大于等于90%，进一步优选大于等于95%，更优选大于99%。

作为优选，所述铝钛铌三元合金靶材，以原子百分比计包括下述组分：

铝 60%~69%；

钛 30%~35%；

铌 1~10%。

作为优选，所述铝钛铌三元合金靶材，以原子百分比计由下述组分组成：铝66%，钛33%，铌1%；其致密度为99.8%。

作为优选，所述铝钛铌三元合金靶材，以原子百分比计由下述组分组成：铝60%，钛30%，铌10%；其致密度为99.7%。

作为优选，所述铝钛铌三元合金靶材，以原子百分比计由下述组分组成：铝64%，钛31%，铌5%；其致密度为99.9%。

本发明针对铝钛铌三元合金靶材的制备方法，包括下述步骤：

步骤一

按靶材成分配比称取铝粉、钛粉和铌粉，在混料机中混合均匀后，得到混合粉末；

步骤二

将步骤一所得混合粉末置于模具中，连同模具一起放置在真空热压机中，在真空下或保护气氛下从室温开始升温到400~500℃，进行第一次保温，第一次保温时控制压制压力为5~30MPa；然后继续升温到501℃~800℃，进行第二次保温，第二次保温时控制压力为10~50MPa；继续升温到801℃~1500℃（和实施例2一致），进行第三次保温，第三次保温时控制压力为20~100MPa；然后开始降温并逐渐将压力从第三次保温时的压力降低到10MPa，冷却到室温，卸除压力，脱模；得到烧结样；

步骤三

将步骤二所得烧结样置于热处理炉中，在300~600℃温度下均匀化退火至少24小时，得到所述铝钛铌三元合金靶材。

在工业化应用时，铝粉、钛粉和铌粉，在三维混料机中混合1~4小时，混料筒中充入氩气保护。

作为优选；铝粉平均粒径为5~50μm；钛粉的平均粒径为10~100μm；铌粉的平均粒径为5~50μm。

作为优选；所述铝粉、钛粉、铌粉的纯度均大于99%，优选为大于等于99.9%。

在工业化应用时，步骤一所得混合粉末装入模具中，在常温下预压压实，然后连通模具一起送入真空热压机中进行按设定制度烧结。所述预压压实的压制压力为20~40MPa。

作为优选；所述保护气氛选自氩气气氛。

作为优选；第一次保温的时间为10~30分钟。

作为优选；第二次保温的时间为5~60分钟。

作为优选；第三次保温的时间为5~30分钟。

作为优选；步骤二中，进行第三次保温后，在10~120分钟内降温到400~500℃；然后逐步减少压力至压力为10MPa，接着随炉冷却至室温，卸除压力，脱模；得到烧结样。

作为优选；在300~600℃温度下均匀化退火24~72小时。均匀化退火确保合金中原子进一步扩散均匀。

本发明一种在金属材料表面镀膜获得抗热震能力的高硬度涂层的铝钛铌三元合金靶材的制备方法，步骤三所得铝钛铌三元合金靶材可按设计尺寸进行加工。

本发明所开发和制备的铝钛铌三元合金靶材可以直接在多弧离子溅射装置上进行真空镀膜，并获得抗热震能力的高硬度涂层，该涂层在刀具上使用时，可以在800℃的高温下使用，硬度可达到2800HV~3200HV；而且，所得涂层的摩擦系数小于0.6，其与基材的结合力好。该涂层在刀具上使用时，刀具在高温条件下的使用寿命为现有工艺所得涂层寿命的3倍以上。

本发明获得的铝钛铌靶材，适合于用来多弧离子真空镀膜制备抗热震能力的高硬度涂层。靶材的制备工艺采用粉末冶金技术，工艺流程短，生产成本低，有利于实现规模化生产。

本发明的优点

1、本发明采用粉末冶金热压烧结技术，得到铝钛铌合金靶材，通过简单的控制原料的比例，就可以得到铝 50%~75%、钛 25~40%、铌 0.5~25%三者比例合适的合金靶材，获得可以在800℃温度下使用，并且硬度可达到2800HV~3200HV，所得涂层的摩擦系数小于0.6，其与基材的结合力好的靶材。该涂层在刀具上使用时，刀具在高温条件下的使用寿命为现有工艺所得涂层寿命的3倍以上。

2、由于铌的熔点高，达到2468℃，与铝基体的熔点665℃相差太大，因此采用熔炼铸造方法，无法将铌与铝或者铌与钛等轻金属元素实现合金化，无法制备出铝钛铌合金靶材。本发明采用粉末冶金热压烧结技术，利用铝粉、钛粉的活性，在真空条件下与铌粉实现烧结成形，然后再在高温下真空长时间退火，利用铝原子和钛原子的均匀化扩散作用，实现和铌之间的冶金结合，制备出铝钛铌合金靶材。

3、本发明利用热和力的共同作用，将粉末烧结的时间缩短，首先实现靶材的致密化和烧结成形，再通过后续的长时间真空扩散退火，利用铝、钛、铌原子的相互扩散效果，实现元素之间的冶金结合，这样提高了粉末烧结的生产效率，简化了生产工艺，是一种短流程、易操作的靶材生产过程，有利于提高生产效率。

总之，本发明通过组分的优化以及与优化组分匹配工艺的协同作用，得到了可以直接在多弧离子溅射装置上进行真空镀膜的铝钛铌三元合金靶材，该靶材通过现有工艺制备的涂层，可以承受800℃高温的服役条件，同时该涂层的硬度可达到2800HV~3200HV、摩擦系数小于0.6，且涂层和基材的结合力好。

附图说明

图1是实施例1获得的铝钛铌合金靶材；

图2是实施例2获得的铝钛铌合金靶材显微组织照片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例所得成品，按常规镀膜工艺在高速钢工具上进行镀膜。

实施例1

本发明合金中铝的原子百分比为66%，钛的原子百分比为33%，铌的原子百分比为1%。

铝粉的平均粒径是5μm；钛粉的平均粒径是10μm；铌粉的平均粒径是5μm。

所有金属粉末的纯度均保证在99%以上。

按靶材合金配比称取铝粉、钛粉和铌粉，在三维混料机中混合1小时，混料筒中充入氩气保护。将混合均匀的粉末装在模具中，在常温下预压压实，压制压力在20MPa。将压制后的粉末连同模具一起放置在真空热压机中，抽真空后加入氩气进行保护。从室温开始升温到400℃，保温10分钟，压力保持在10MPa；然后继续升温到700℃保温5分钟，保持压力10MPa；继续升温到1000℃，保温5分钟，保持压力20MPa；然后开始降温，在10分钟内降温到400℃，保持压力逐渐减小，从100MPa降低到10MPa，然后冷却到室温，卸除压力，开炉，脱模。脱模后获得烧结制成的铝钛铌合金靶材，将此靶材放置在真空热处理炉中，在300℃温度下均匀化退火24小时，确保合金中原子扩散均匀。将真空热处理后的靶材进行机械加工的方式，可以得到最终的铝66%钛33%铌1%的靶材产品。所得产品的致密度为99.8%。

本实施例铝钛铌靶材外观如图1所示。

使用本实施例产品在高速钢工具上镀膜，镀膜表面层硬度超过2400HV，膜层经过800℃测试300小时无氧化、剥落现象。

实施例2

本发明合金中铝的原子百分比为60%，钛的原子百分比为30%，铌的原子百分比为10%。

铝粉的平均粒径是50μm；钛粉的平均粒径是100μm；铌粉的平均粒径是50μm。

所有金属粉末的纯度均保证在99.9%以上。

按靶材合金配比称取铝粉、钛粉和铌粉，在三维混料机中混合4小时，混料筒中充入氩气保护。将混合均匀的粉末装在模具中，在常温下预压压实，压制压力在40MPa。将压制后的粉末连同模具一起放置在真空热压机中，抽真空后加入氩气保护。从室温开始升温到500℃，保温20分钟，压力保持在30MPa；然后继续升温到800℃保温60分钟，保持压力50MPa；继续升温到1500℃，保温15分钟，保持压力100MPa；然后开始降温，在120分钟内降温到500℃，保持压力逐渐减小，从100MPa降低到10MPa，然后冷却到室温，卸除压力，开炉，脱模。脱模后获得烧结制成的铝钛铌合金靶材，将此靶材放置在真空热处理炉中，在600℃温度下均匀化退火72小时，确保合金中原子扩散均匀。将真空热处理后的靶材进行机械加工，可以得到最终的铝60%钛30%铌10%的靶材产品。所得产品的致密度为99.7%。

实施例3

优选铝、钛、铌的含量是：铝64%钛31%铌5%。

铝粉的平均粒径是25μm；钛粉的平均粒径是50μm；铌粉的平均粒径是25μm。

所有金属粉末的纯度均在99.9%以上纯度。

按靶材合金配比称取铝粉、钛粉和铌粉，在三维混料机中混合2小时，混料筒中充入氩气保护。将混合均匀的粉末装在模具中，在常温下预压压实，压制压力在30MPa。将压制后的粉末连同模具一起放置在真空热压机中，抽真空，加入氩气进行保护。从室温开始升温到450℃，保温15分钟，压力保持在20MPa；然后继续升温到750℃保温30分钟，保持压力30MPa；继续升温到1250℃，保温10分钟，保持压力50MPa；然后开始降温，在60分钟内降温到450℃，保持压力逐渐减小，从100MPa降低到10MPa，然后冷却到室温，卸除压力，开炉，脱模。脱模后获得烧结制成的铝钛铌合金靶材，将此靶材放置在真空热处理炉中，在400℃温度下均匀化退火48小时，确保合金中原子扩散均匀。将真空热处理后的靶材进行机械加工，可以得到最终的铝64%钛31%铌5%的靶材产品。所得产品的致密度为99.8%。

Claims

1.一种铝钛铌三元合金靶材，以原子百分比计由下述组分组成：

铝50％～75％；

钛25～40％；

铌0.5～25％；

所述合金靶材还包含杂质，所述杂质含量小于0.05％；

制备方法，包括下述步骤：

步骤一：按靶材成分配比称取铝粉、钛粉和铌粉，在混料机中混合均匀后，得到混合粉末；

步骤二：将步骤一所得混合粉末置于模具中，连同模具一起放置在真空热压机中，在真空下或保护气氛下从室温开始升温到400～500℃，进行第一次保温，第一次保温时控制压制压力为5～30MPa；然后继续升温到501℃～800℃，进行第二次保温，第二次保温时控制压力为10～50MPa；继续升温到801℃～1500℃，进行第三次保温，第三次保温时控制压力为20～100MPa；然后开始降温并逐渐将压力从第三次保温时的压力降低到10MPa，冷却到室温，卸除压力，脱模；得到烧结样；

步骤三：将步骤二所得烧结样置于热处理炉中，在300～600℃温度下均匀化退火至少24小时，得到所述铝钛铌三元合金靶材。

2.根据权利要求1所述的合金靶材，所述合金靶材的致密度大于等于90％。

3.根据权利要求1所述的合金靶材，所述合金靶材的致密度大于等于95％。

4.根据权利要求1所述的合金靶材，所述合金靶材的致密度大于99％。

5.根据权利要求1所述的合金靶材，所述合金靶材以原子百分比计：

铝60％～69％；

钛30％～35％；

铌1～10％。

6.根据权利要求1所述的合金靶材，所述的混料机为三维混料机，混合时间为1～4小时，混料筒中充入氩气保护。

7.根据权利要求1所述的合金靶材，其特征在于，铝粉平均粒径为5～50μm，钛粉的平均粒径为10～100μm，铌粉的平均粒径为5～50μm。

8.根据权利要求1所述的合金靶材，所述铝粉、钛粉、铌粉的纯度均大于99％。

9.根据权利要求1所述的合金靶材，所述铝粉、钛粉、铌粉的纯度大于等于99.9％。

10.根据权利要求1所述的合金靶材，其特征在于，将步骤一所得混合粉末装入模具中，在常温下预压压实，然后连同模具一起送入真空热压机中进行按设定制度烧结；所述预压压实的压制压力为20～40MPa。

11.根据权利要求1所述的合金靶材，其特征在于，所述保护气氛选自氩气气氛。

12.根据权利要求1所述的合金靶材，其特征在于，第一次保温的时间为10～30分钟。

13.根据权利要求1所述的合金靶材，其特征在于，第二次保温的时间为5～60分钟。

14.根据权利要求1所述的合金靶材，其特征在于，第三次保温的时间为5～30分钟。

15.根据权利要求1所述的合金靶材，其特征在于，步骤二中，进行第三次保温后，在10～120分钟内降温到400～500℃；然后逐步减少压力至压力为10MPa，接着随炉冷却至室温，卸除压力，脱模；得到烧结样。

16.根据权利要求1所述的合金靶材，其特征在于，在300～600℃温度下均匀化退火24～72小时。