CN109306461A - 采用磁控溅射技术高通量制备Co-Al-W基合金薄膜的方法 - Google Patents

采用磁控溅射技术高通量制备Co-Al-W基合金薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用磁控溅射技术高通量制备Co‑Al‑W基合金薄膜的方法，包括如下步骤：(1)以Co‑Al‑W基多元合金元素为合成原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术，制备靶材A、靶材B和靶材C，靶材A包括特征元素X，靶材B包括特征元素Y，靶材C包括除特征元素X和特征元素Y之外的Co‑Al‑W基多元合金元素；(2)选取基体并将其安装在磁控溅射设备的夹具上，将步骤(1)制备的靶材A、靶材B和靶材C分别放置在磁控溅射设备的三个靶位上，利用磁控溅射技术，制备Co‑Al‑W基合金薄膜。本方法作为Co‑Al‑W基合金材料的高通量制备技术操作简单，且得到的薄膜材料便于高通量表征工作的开展。

Description

采用磁控溅射技术高通量制备Co-Al-W基合金薄膜的方法
技术领域
本申请涉及磁控溅射技术以及材料的高通量制备技术，特别地涉及一种采用磁控溅射技术高通量制备Co-Al-W基合金薄膜的方法。
背景技术
钴(Co)基高温合金是适用于制作舰船和飞行器动力装备热端部件的高温结构材料。传统钴基合金是一种以钴为主要元素，加入相当数量的镍、铬、钨、铝和碳等元素，是对基体固溶强化和碳化物强化的一类高温合金。此类钴基高温合金高温强度适中，但抗热疲劳、耐热腐蚀和耐磨性能优异，被广泛用于制造航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。与镍基高温合金相比，传统钴基高温合金高温强度不足。
随着我国海洋强国战略的实施，对高推比动力装置的高温结构材料提出迫切需求。在高湿、高盐、高温、氧化腐蚀等环境下用于高推比动力装置的相关高温结构材料，必须在强韧性、蠕变抗力、抗氧化腐蚀性等方面进一步提高。要突破传统钴基合金高温强度不足的瓶颈问题，必须通过合金组织设计，引入新的强化相和强化机制，这是目前钴基合金的重要发展方向。新型Co-Al-W基合金具有γ-CoSS/γ’-Co3(Al,W)共格显微组织,与Ni基高温合金组织相同,由γ’-Co3(Al,W)相进行共格强化和沉淀强化，使其高温强度比传统Co基合金提高了50～100％。在新型Co-Al-W基合金中加入不同的元素进一步合金化以及改变元素含量均会带来其宏观性质的变化。
目前用于性能测试的Co-Al-W基合金基合金试样是通过加入不同的元素和/或不同比例的元素，制备出不同成分的Co-Al-W基合金，然后依次对这些合金进行性能测试，选取出最优性能对应的元素成分比例。这种方法需要制备大量的试样，工作量大并且效率低。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明采用磁控溅射技术，在保证合金整体成分稳定的前提下，制备元素成分含量连续梯度变化的Co-Al-W基合金薄膜的方法。本方法先利用非自耗真空电弧技术制备三个成分相似的靶材A、B、C，其中靶材A中含有特征元素X，B靶材中含有特征元素Y、靶材C中应不含上述两种特征元素；再利用磁控溅射技术，在Co-Al-W基体上进行镀膜，三个靶材同时以不同角度向基体进行溅射，在基体表面形成薄膜，所形成的薄膜中特征元素X和Y含量变化具有等高线特征，成分含量呈现出连续梯度变化。
根据本发明的一方面，提供了一种采用磁控溅射技术高通量制备Co-Al-W基合金薄膜的方法，包括如下步骤：
(1)以Co-Al-W基多元合金元素为合成原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术，制备靶材A、靶材B和靶材C，靶材A包括特征元素X，靶材B包括特征元素Y，靶材C包括除特征元素X和特征元素Y之外的Co-Al-W基多元合金元素；
(2)选取基体并将其安装在磁控溅射设备的夹具上，将步骤(1)制备的靶材A、靶材B和靶材C分别放置在磁控溅射设备的三个靶位上，利用磁控溅射技术，制备Co-Al-W基合金薄膜。
在一些实施中，步骤(2)中，磁控溅射设备的三个靶位可以呈三角形分布，基体可以位于所述三角形的上方，例如上方12cm处。
在一些实施中，步骤(2)中，磁控溅射工艺参数可以为：基体的温度200～300℃，靶材功率70～90瓦，溅射时间100～140min，气压1.4～1.8Pa，真空度6×10-4～7×10-4Pa。
在一些实施中，步骤(2)中所制备的Co-Al-W基合金薄膜中，特征元素X和特征元素Y可具有等高线特征，并且成分含量可呈现连续的梯度变化。
在一些实施中，靶材A可为74Co-11Al-4Cr-6W-5Ti合金，特征元素X可为元素Cr；靶材B可为50Co-11Al-30Ni-4W-5Ti合金，特征元素Y可为元素Ni；靶材C和基体可以均为82Co-9Al-9W合金。
在一些实施中，在制备的Co-Al-W基合金薄膜中，Cr元素含量可以由靠近靶材A的3.2at.％降低到远离靶材A的0.8at.％左右，Ni元素含量可以由靠近靶材B的14at.％降低到远离靶材A的3at.％左右。
在一些实施中，步骤(2)可以具体为：将基体先后采用60#，200#，500#，800#，1500#，2000#的水磨砂纸磨光后再采用抛光机抛光至镜面，并按磁控溅射设备要求进行表面去污处理；将靶材A、靶材B和靶材C置于质量分数为99.7％的酒精溶液中进行超声波清洗，超声波频率为50～60KHz，清洗时间约为15～25min，之后自然晾干。
进一步地，可以采用EDX分析制备的Co-Al-W基合金薄膜中Cr元素和Ni元素的含量及分布，具体为，在制备的Co-Al-W基合金薄膜中部一定区域内进行成分表征，每隔3～6mm进行一次面扫，面扫的区域为长和宽均为50～70μm的方块。
本发明的有益效果：针对现有技术中用于性能测试的Co-Al-W基合金所需试样多，制备工作量大、效率低且成本高的问题，开发了以Co-Al-W基多元合金元素中的特定元素X、Y的含量呈梯度变化的Co-Al-W基合金薄膜进行高通量性能测试的思路。在具体的制备方法上，利用含高X不含Y的靶材A、含高Y不含X的靶材B和元素X、Y均不含的靶材C在基体上磁控溅射，在基体上制备X、Y的含量呈梯度变化的Co-Al-W基合金薄膜。此外，通过对靶材组分进行设计，配合优化的磁控溅射工艺参数，可以使得到的薄膜中的X、Y元素呈现了合理的梯度分布，从而便于大批量的对不同元素比例的Co-Al-W基合金进行制备和性能测试，快速的选取出最优的元素成分比例，提高工作效率。另外，本发明所用的高通量制备方法可应用于其他合金材料领域。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式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申请的一些实施方式。
图1是本发明的制备的Co-Al-W基合金薄膜上铬元素含量分布图。
图2是本发明的制备的Co-Al-W基合金薄膜上镍元素含量分布图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
“材料高通量制备”是在短时间内完成大量样品的制备。其核心思想是将传统材料研究中采用的顺序迭带或试错方法改为并行处理，以量变引起材料研究效率的质变，是“材料基因组技术”三大要素之一，可以使材料研发周期缩短一半、研发成本降低一半的目标。“共沉积薄膜法”是材料高通量制备的经典方法之一，利用不同沉积源与基体的相对角度和位置不同，同时将多种成分沉积在一块基体上，形成组分呈连续渐变式梯度分布的多元成分样品。该方法无需使用任何掩模即可获得连续成分分布，且与薄膜沉积的厚度控制无关，成分分辨率可达0.1at.％～1.0at.％，沉积工艺后无需热处理即可获得各元素充分混合的元素组合样品。
本发明提供了一种采用磁控溅射方法高通量制备新型Co-Al-W基合金薄膜的方法，包括以下步骤：
(1)以Co-Al-W基多元合金元素为合成原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术，制备靶材A、靶材B和靶材C，靶材A包括特征元素X，靶材B包括特征元素Y，靶材C包括除特征元素X和特征元素Y之外的Co-Al-W基多元合金元素；
(2)将三个靶材按照磁控溅射炉要求进行机械加工及表面去污处理；
(3)选取基体，使用砂纸对基体进行磨光处理并抛光至镜面，并按磁控溅射炉要求进行表面去污处理；
(4)将处理后的基体安装在磁控溅射设备的夹具上，将处理后的靶材A、靶材B和靶材C分别放置在磁控溅射设备的三个靶位上，三个靶位的基体方位不同，利用磁控溅射技术，制备Co-Al-W基合金薄膜。其中，磁控溅射工艺参数为基体温度200～300℃，靶材功率70～90瓦，溅射时间100～140min，气压1.4～1.8Pa，真空度6×10-4～7×10-4Pa。
之后，采用EDX分析制备的Co-Al-W基合金薄膜材料，对基体区域内分块进行成分表征。其中，获得了特定元素成分具有等高线特征，其成分含量可呈现连续梯度变化。
下面以具体实施例来说明本发明，一种采用磁控溅射技术高通量制备Co-Al-W基合金薄膜的方法，具体包括如下步骤：
(1)以Co-Al-W基合金元素为合成原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术得到三个靶材A、B和C，靶材A中包括元素Cr，靶材B中包括元素Ni，三个靶材的尺寸均为Φ60mm×5mm。三个靶材的成分如表1所示。
表1三个靶材成分
(2)将三个靶材置于质量分数为99.7％的酒精溶液中进行超声波清洗以除污，超声波频率为55KHz的条件下，清洗20min后，自然晾干后待用。
(3)使用普通钴铝钨合金(82Co-9Al-9W)作为溅射基体，尺寸为50×50×2mm，采用60#，200#，500#，800#，1500#，2000#水磨砂纸磨光后，在采用抛光机抛光至镜面，并按磁控溅射炉要求进行表面去污处理。
(4)将82Co-9Al-9W基体安装在磁控溅射设备的夹具上，将三个靶材A、B和C分别放在三个靶位上，三个靶位呈三角形分布，基体位于该三角形重心上方一定位置，靶材与水平方向呈100°～150°，本实例中为120°；调节磁控溅射工艺参数进行溅射，溅射参数为82Co-9Al-9W基体的温度250℃，靶材功率80瓦，溅射时间120min，气压1.6Pa，真空度6.5×10-4Pa。
之后，采用EDX分析制备的Co-Al-W基合金薄膜材料中铬元素和镍元素的含量及分布，将Co-Al-W基合金薄膜平均分为10×10的方格(方格密度可根据需要划分地更细密些)，测试方格内薄膜材料各元素含量。铬元素含量分布如图1所示，可见，铬元素含量在Co-Al-W基合金薄膜中的变化具有等高线特征，成分含量呈现连续的梯度变化，靶材A由近及远，薄膜上铬含量从3.2at.％左右降低到0.8at.％左右。镍元素含量分布如图2所示，可见，镍元素含量在Co-Al-W基合金薄膜中的变化具有等高线特征，镍元素成分含量呈现连续的梯度变化，靶材B由近及远，薄膜上镍含量从14at.％左右降低到3at.％左右。
以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用磁控溅射技术高通量制备Co-Al-W基合金薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以Co-Al-W基多元合金元素为合成原料，利用真空非自耗电弧熔炼技术，制备靶材A、靶材B和靶材C，靶材A包括特征元素X，靶材B包括特征元素Y，靶材C包括除特征元素X和特征元素Y之外的Co-Al-W基多元合金元素；
(2)选取基体并将其安装在磁控溅射设备的夹具上，将步骤(1)制备的靶材A、靶材B和靶材C分别放置在磁控溅射设备的三个靶位上，利用磁控溅射技术，制备Co-Al-W基合金薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，磁控溅射设备的三个靶位呈三角形分布，所述基体位于所述三角形上方。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，磁控溅射工艺参数为：所述基体的温度200～300℃，靶材功率70～90瓦，溅射时间100～140min，气压1.4～1.8Pa，真空度6×10-4～7×10-4Pa。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所制备的Co-Al-W基合金薄膜中，特征元素X和特征元素Y具有等高线特征，并且成分含量呈现连续的梯度变化。
5.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，靶材A为74Co-11Al-4Cr-6W-5Ti合金，特征元素X为元素Cr；靶材B为50Co-11Al-30Ni-4W-5Ti合金，特征元素Y为元素Ni；靶材C和基体均为82Co-9Al-9W合金。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在制备的Co-Al-W基合金薄膜中，Cr元素含量由靠近靶材A的3.2at.％降低到远离靶材A的0.8at.％，Ni元素含量由靠近靶材B的14at.％降低到远离靶材A的3at.％。
7.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体为：
将基体先后采用60#，200#，500#，800#，1500#，2000#的水磨砂纸磨光后再采用抛光机抛光至镜面，并按磁控溅射设备要求进行表面去污处理；将靶材A、靶材B和靶材C置于质量分数为99.7％的酒精溶液中进行超声波清洗，超声波频率为50～60KHz，清洗时间约为15～25min，之后自然晾干。
8.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，还包括采用EDX分析制备的Co-Al-W基合金薄膜中Cr元素和Ni元素的含量及分布，具体为，在制备的Co-Al-W基合金薄膜中部一定区域内进行成分表征，每隔3～6mm进行一次面扫，面扫的区域为长和宽均为50～70μm的方块。
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