CN111101105B - 一种钛铝合金靶材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛铝合金靶材的制备方法，包括混粉步骤、灌装步骤、冷等静压步骤、焊接包套脱气步骤、热等静压步骤、分切步骤、合金化扩散热处理步骤和机加工修整步骤。本发明的制备方法，控制简单，加工成本低，加工效率高。

Description

一种钛铝合金靶材的制备方法

技术领域

本发明涉及钛铝合金靶材的技术领域，尤其是涉及一种钛铝合金靶材的制备方法。

背景技术

目前，钛铝合金靶材的生产工艺主要有包括熔炼铸造和粉末合金化再烧结。

熔炼工艺制造钛铝靶材时，浇注过程中容易产生气泡、疏松和偏析；钛铝合金热加工困难，铸造缺陷难以去除，致密度难提高，成材率低。同时钛铝合金中的成分与组织的均匀性难以保证，导致钛铝靶材品质的稳定性不能保证。

粉末合金化再烧结，首先混合铝粉、钛粉，加热使其合金化，然后再次制粉，用得到的钛铝合金粉末结合粉末冶金的成型工艺，最终成型。由于钛铝合金相熔点达到1500℃以上，不同的成型工艺，成型温度要求最低1100℃以上，工艺繁琐，流程长，工艺成本高，且耗能高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种钛铝合金靶材的制备方法，控制简单，加工成本低，加工效率高。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种钛铝合金靶材的制备方法，包括以下步骤：混粉步骤，选用钛粉和铝粉，将钛粉和铝粉按设定比例称量后混合，形成混合粉末；

灌装步骤，将混合粉末装入冷等静压包套后，对冷等静压包套进行密封；

冷等静压步骤，将密封后的冷等静压包套放入冷等静压设备，对混合粉末进行冷等静压，使混合粉末的压实密度达到60至70％，形成钛铝混粉粉坯；

焊接包套脱气步骤，将钛铝混粉粉坯装入热等静压包套，在热等静压包套焊接抽气管，使抽气管与热等静压包套内部连通，对热等静压包套内进行抽真空，在抽真空后对热等静压包套进行密封；

热等静压步骤，对脱气后的热等静压包套内的钛铝混粉粉坯进行热等静压形成热等静压品；

合金化扩散热处理步骤，将热等静压品的温度设置在400至550℃放置4至8小时，形成钛铝混粉合金扩散品，将钛铝混粉合金扩散品进行水冷，使钛铝混粉合金扩散品冷却至室温；

机加工修整步骤，将冷却后的钛铝混粉合金扩散品进行机加工，对冷却后的钛铝混粉合金扩散品加工至规则性质的机加工成品。

进一步的技术方案中，所述钛粉和所述铝粉的粒度分别设置在10至50μm，钛粉和铝粉的纯度分别设置在99％以上，钛粉和铝粉的氧含量分别低于1000ppm，钛和铝的原子百分比的含量分别设置在25％至75％。。

进一步的技术方案中，在所述混粉步骤中，将所述钛粉和所述铝粉放入球磨机中混合4至16小时，形成所述混合粉末。

进一步的技术方案中，在所述冷等静压步骤中，将所述冷等静压设备中的压力设置在130至180MPa，保持至少300秒后去除压力。

进一步的技术方案中，在所述焊接包套脱气步骤中，对所述热等静压包套进行抽真空，将热等静压包套内的真空度设置在10E-4Pa，使所述钛铝混粉粉坯与热等静压包套之间的间隙小于1mm。

进一步的技术方案中，在所述焊接包套脱气步骤和所述热等静压步骤中，所述热等静压包套选用低碳钢或铝合金制作。

进一步的技术方案中，在所述焊接包套脱气步骤中，对所述热等静压包套内进行抽真空后，对热等静压包套进行焊接密封，以氦气检漏仪进行检漏，使漏气率低于5E-12Pa·m3/s。

进一步的技术方案中，在所述热等静压步骤中，将所述钛铝混粉粉坯放置于热等静压设备中，热等静压设备的压力值设置在120至170MPa，将钛铝混粉粉坯的温度设置在250至450℃保持2至4小时。

进一步的技术方案中，在所述热等静压步骤和所述合金化扩散热处理步骤之间设置有分切步骤，对所述热等静压品按照产品规格进行分切。

进一步的技术方案中，在所述分切步骤中，所述热等静压品分切后的厚度设置在70mm以下。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：

1.本发明的钛铝靶材的制备方法，生产成本低，生产工艺控制更简单，晶粒组织均匀，提高生产效率。

2.本发明的钛铝靶材的制备方法，机加工难度降低，提高机加工的生产效率，由于合金化扩散处理后得到的钛铝混粉合金扩散品的硬度低，对刀具的磨损率降低，机加工成品率高。

3.本发明的钛铝靶材的制备方法，热等静压温度低，热等静压平均加工时长短，提高热等静压加工效率，有效降低加工成本。

4.本发明的钛铝靶材的制备方法，在合金化扩散热处理步骤中采用水冷的冷却方式，冷却加工时间短，成品的破裂率低，成品率高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的钛铝相图。

图2是本发明的合金化前的金相组织图。

图3是本发明的合金化后的金相组织图。

具体实施方式

以下仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

一种钛铝合金靶材的制备方法，包括混粉步骤、灌装步骤、冷等静压步骤、焊接包套脱气步骤、热等静压步骤、分切步骤、合金化扩散热处理步骤和机加工修整步骤。

钛铝靶材在工具和装饰镀膜领域都有着广泛的应用。钛铝合金密度低、强度、硬度高，具有很好的耐磨性，在普通刀具表面涂覆一层钛铝合金层，可以增强刀具表面硬度，使刀具更锋利，并有效延长刀具的使用时间。在不同气氛下，钛铝合金靶材可以形成黄色、黑色、棕色或玫瑰色等不同颜色的装饰膜，具有耐腐蚀、耐磨、牢固、美观的优点，可以满足装饰材料对颜色以及稳定性的要求。根据不同的成分配比，钛和铝之间可以形成多种金属间化合物，如Ti3Al、TiAl、TiAl2和TiAl3等，这些金属间化合物的存在导致钛铝合金相组成复杂、难以变形加工、硬、脆、易产生裂纹，特别是但合金中铝含量超过50％的原子比的时候，这个问题尤为明显。温度变化造成的相转变使材料开裂，难以稳定控制。

钛铝合金的生产工艺可以分为熔炼和粉末冶金两大类，熔炼可以使铝和钛充分融化形成钛铝合金，但浇筑环节的疏松、缩孔等铸造缺陷后续难以去除；一般粉冶工艺成型致密度低，磁控溅射镀膜，对气孔率要求非常高，一般要求气孔率低于0.5％，热等静压是优选的成型方法。

现有的钛铝合金靶材的热等静压制备方法的步骤是混粉步骤、合金化处理步骤、二次制粉步骤、罐装步骤、冷等静压步骤、焊接包套脱气步骤、热等静压步骤和机加工步骤。现有钛铝合金靶材的制备方法是在热等静压步骤前进行合金化处理步骤，使钛粉和铝粉之间发生合金化反应全部形成钛铝合金，再进行钛铝合金的二次制粉，如图1钛铝相图所示，由于钛铝合金的熔点高，达到1500℃以上，后续进行热等静压时，成型温度需要设置在1100至1300℃，整个过程加工时间24小时左右。

合金粉热等静压工艺，由于二次制粉使材料纯度降低，成型后钛铝合金硬度高，机加工难度大，刀具磨损严重，机加工效率低下。

本发明中的钛铝合金靶材的制备方法，在热等静压步骤前，没有对钛粉和铝粉进行合金化处理，仅对钛粉和铝粉进行物理性的混合和压实形成钛铝混粉粉坯，使钛粉和铝粉相互保持粉状混合状态，钛粉和铝粉之间并无发生反应产生新的合金物，在这个状态下对钛铝混粉粉坯进行热等静压，由于没有合金物生产，大幅降低热等静压的加工温度，缩短热等静压的生产时间，降低生产成本。在机加工前进行合金化扩散处理，合金化扩散处理中形成了包括铝粉、钛粉和钛铝合金的钛铝混粉合金扩散品，而该钛铝混粉合金扩散品的硬度比现有技术中的合金化后形成的纯钛铝合金的硬度低，对刀具的磨损小，降低机加工难度，提高机加工效率。同时由于合金化扩散处理，得到的钛铝混粉合金扩散品内部组织更加均匀。

本发明的钛铝合金靶材的制备方法，具体包括以下步骤：

混粉步骤，选用钛粉和铝粉，将钛粉和铝粉按设定比例称量后混合，形成混合粉末；所述钛粉和铝粉的粒度分别设置在10至50μm，钛粉和铝粉的纯度分别设置在99％以上，钛粉和铝粉的氧含量分别低于1000ppm，钛和铝的原子百分比的含量分别设置在25％至75％。在所述混粉步骤中，将钛粉和铝粉放入球磨机中混合4至16小时，形成所述混合粉末。将钛粉和铝粉分别放入球磨机中，钛粉和铝粉得到进一步研磨，同时也将钛粉和铝粉进行混合，提高混粉效率。

灌装步骤，将混合粉末装入冷等静压包套后，对冷等静压包套进行密封；其中冷等静压包套选用橡胶包套。使混合粉末在冷等静压包套内进行冷等静压，为后续冷等静压步骤作准备。

冷等静压步骤，将密封后的冷等静压包套放入冷等静压设备，对混合粉末进行冷等静压，使混合粉末的压实密度达到60至70％，形成钛铝混粉粉坯；对混合粉末进行冷等静压后，混合粉末形成了一个表面有一定形状变形的钛铝混粉粉坯，该钛铝混粉粉坯内的钛粉和铝粉的粉与粉之间形成有一定的摩擦力，粉与粉之间不容易松散，使钛铝混粉粉坯的压实密度达到60至70％，为后续的热等静压作提供坯体，为热等静压提供钛铝混粉粉坯。具体的，在所述冷等静压步骤中，将所述冷等静压设备中的压力设置在130至180MPa，保持至少300秒后去除压力。

焊接包套脱气步骤，将钛铝混粉粉坯装入热等静压包套，在热等静压包套焊接抽气管，使抽气管与热等静压包套内部连通，对热等静压包套内进行抽真空，在抽真空后对热等静压包套进行密封。具体的，在所述焊接包套脱气步骤中，对所述热等静压包套进行抽真空，将热等静压包套内的真空度设置在10E-4Pa，使所述钛铝混粉粉坯与热等静压包套之间的间隙小于1mm。在所述焊接包套脱气步骤中，对所述热等静压包套内进行抽真空后，对热等静压包套进行焊接密封，以氦气检漏仪进行检漏，使漏气率低于5E-12Pa·m3/s。由于在热等静压步骤中，一般选用氮气或氩气等气体作为加压介质，因此对热等静压包套的密封性有要求。另外，任何微小的渗漏都会引起产品中的热诱导孔隙。在所述焊接包套脱气步骤和所述热等静压步骤中，作为优选的，所述热等静压包套选用低碳钢或铝合金制作，选用低碳钢或铝合金制成的热等静压包套，成本低，且在200℃至400左右的温度时，强度较低，容易变形。经过该步骤的钛铝混粉粉坯实质上还是钛粉和铝粉相互保持粉状混合状态，钛粉和铝粉之间并无发生反应产生新的合金物。

表格1.1为采用方案一和方案二对相同数量的同一加工产品分别进行热等静压加工的数据对比。

方案一：在热等静压步骤前，对钛粉和铝粉进行合金化处理，使钛粉和铝粉发生合金化反应形成全钛铝合金的钛铝合金粉，对钛铝合金粉进行热等静压。

方案二：在热等静压步骤前，前仅对钛粉和铝粉进行物理性加工，钛铝混粉粉坯如冷等静压等步骤，形成不含钛铝合金的钛铝混粉粉坯，对钛铝混粉粉坯进行热等静压，即本发明的技术方案。

热等静压步骤，对脱气后的热等静压包套内的钛铝混粉粉坯进行热等静压形成热等静压品；在热等静压步骤中，大部分的钛粉和铝粉之间还是保持钛粉和铝粉的粉状混合状态，由于在热等静压时施加了一定的温度，钛粉和铝粉之间会产生少量的相互扩散形成极少量的钛铝合金。热等静压步骤使热等静压品内部致密化，提高热封静压品的整体力学性能。热等静压品经过热等静压处理后，热等静压品的细晶粒组织均匀，能避免宏观偏析，提高热等精要的工艺性能和机械性能。具体的，在所述热等静压步骤中，将钛铝混粉粉坯放置于热等静压设备中，热等静压设备的压力值设置在120至170MPa，将钛铝混粉粉坯的温度设置在250至450℃保持2至4小时。由于钛铝混粉粉坯中的铝粉和钛粉仅为混合状态，在热等静压步骤之前，钛粉和铝粉之间并无反应产生新的合金物，如图1的钛铝相图所示，钛的熔点在1660℃左右，铝的熔点在660℃，铝的熔点更低，在进行热等静压时，热等静压的温度达到铝粉的软化点，铝粉即可实现将钛粉进行粘结，即进行热等静压，因此钛铝混粉粉坯中的铝粉和钛粉仅为混合状态，无反应产生新的合金物，在热等静压步骤能大幅度降低热等静压的温度和缩短热等静压的时间，降低加工成本，提高加工效率。以较低的温度和较短的时间来控制混合物的熔融固化程度，过程中铝颗粒外层扩散物理结合成为连续基体，钛颗粒弥散分布，钛颗粒表面与铝基体扩散，但钛铝合金晶粒较少，整体以铝基为主，材料硬度低。保持材料较低的合金化程度、硬度低的状态，去除包套。从表1.1的数据对比可以看出，在本发明的制备方法中，不对钛粉和铝粉进行合金化，使钛粉和铝粉进行物理性处理形成的钛铝混粉粉坯，对钛铝混粉粉坯进行热等静压，能降低热等静压步骤的加工温度，降低加工成本，同时也缩短热等静压的加工时长。

在所述热等静压步骤和所述合金化扩散热处理步骤之间设置有分切步骤，对热等静压品按照产品规格进行分切。具体的，分切步骤，对热等静压品按照产品规格进行分切；根据产品尺寸，进行热等静压品切割下料，预留精加工余量。更为具体的，在所述分切步骤中，所述热等静压品分切后的厚度设置在70mm以下，作为优选的，半成品的厚度设置在50mm以下。半成品的厚度设置在50mm以下，厚度更薄，更有利于冷却，冷却效果更好。对热等静压品进行分切，使热等静压品的厚度得以变薄，在后续的合金化扩散热处理步骤中，有助于加快冷却的速度，由于冷却速度快，使冷却效果更好。

表格1.2为使用方案一和方案二对相同数量的同一产品分别进行冷却加工的数据对比。

方案一：对钛铝混粉合金扩散品进行冷却时采用空冷形式。

方案二：对钛铝混粉合金扩散品进行冷却时采用水冷形式。

合金化扩散热处理步骤，将热等静压品的温度设置在400至550℃放置4至8小时，形成钛铝混粉合金扩散品，将钛铝混粉合金扩散品进行水冷，使钛铝混粉合金扩散品达到室温后，得到成品。对热等静压后的热等静压品进行合金化扩散热处理，热等静压品在400至550℃的温度下，铝原子与钛原子进行充分接触并相互扩散，提高热等静压品中的钛铝合金比例，如图2和图3的金相组织图对比看出，晶粒尺寸在20微米左右，晶粒尺寸小，钛铝原子的微观均匀性得到明显提高。在对热等静压品进行合金化扩散热处理后得到钛铝混粉合金扩散品后，需要对钛铝混粉合金扩散品进行冷却。在本发明中选择水冷的方式对钛铝混粉合金扩散品进行冷却，而没有选择空冷的方式进行冷却的原因是：将钛铝混粉合金扩散品进行空冷至室温的时间较长，在冷却的过程中会形成多种钛铝中间合金，由于每种钛铝合金的物理性质不一样，导热系数和膨胀系数均不一样，造成导热快的钛铝合金与导热慢的钛铝合金之间产生温差，导致最终得到的成品产生裂痕，即钛铝混粉合金扩散品在空冷时会发生相转变，从而引起体积变化，由此导致胀裂。而选择水冷方式对钛铝混粉合金扩散品进行冷却时，由于钛铝混粉合金扩散品在水冷时能在短时间内降至室温，阻止了钛铝混粉合金扩散品在冷却过程中的相转变，钛铝混粉合金扩散品无发生体积变化，从而冷却得到完整无裂痕的钛铝混粉合金扩散品。从表1.2的数据对比可以看出，在本发明的制备方法中，在对钛铝混粉合金扩散品采用水冷方式进行冷却，冷却时间短，且冷却效果好，钛铝混粉合金扩散品不发生破裂。

表格1.3采用方案一和方案二对相同数量的同一产品分别进行机加工的数据对比。

方案一：在机加工步骤前，对钛粉和铝粉进行进行合金化处理，二次制粉，形成全钛铝合金粉末，对钛铝合金粉末进行冷等静压和热等静压后形成钛铝合金锭，对钛铝合金锭进行机加工。

方案二：对合金化扩散热处理后的钛铝混粉合金扩散品，即本发明的技术方案。

机加工平均加工时长：指使用方案一和方案二分别对数量相等的同一产品在机加工步骤中的平均总耗时。

机加工刀具磨损量：使用方案一和方案二分别对数量相等的同一产品进行机加工后，刀具的磨损情况。

机加工修整步骤，将钛铝混粉合金扩散品进行机加工，对钛铝混粉合金扩散品加工至规则性质，使钛铝混粉合金扩散品加工至无凹坑或突出等缺陷的机加工成品。热等静压品经过合金化扩散热处理后，镶嵌状的钛颗粒与铝基体扩散，转变为细碎的钛铝合金，原钛颗粒减小、消失。新形成的钛铝合金晶粒细小，弥散分布，铝基体仍然存在，使得钛铝扩散均匀的同时，宏观硬度无显著提高，机加工性能良好。钛铝混粉合金扩散品包括铝粉、钛粉和钛铝合金组成。由于钛铝混粉合金扩散品仅有部分为钛铝合金，钛铝合金仅占钛铝混粉合金扩散品的50至70％，钛铝混粉合金扩散品的硬度低于全钛铝合金的硬度，由于钛铝混粉合金扩散品的硬度低，因此降低机加工难度，降低对机加工设备的磨损，提高机加工效率。根据表1.3的数据对比可以看出，本发明的制备方法中，机加工的平均时长短，有效提高加工效率，刀具磨损少，且对刀具硬度要求低，对设备加工要求低，降低生产成本，机加工成品率高。

由于靶材的使用特性，磁控溅射为等离子体环境下的原子碰撞激发沉积，原子微观分布均匀性对膜层的成分均匀有利，激发能和沉积能在一定范围内正态分布，物理的原子扩散均匀即可达到优化膜层的目的，因此无需完全的物相转变。本发明的制备方法，避免了单一钛铝合金物相的工艺繁复、硬脆性带来的机加工难度和风险，显著降低烧结温度，节能环保，降低机加工难度，提高工作效率，降低成本，因合金化扩散热处理对热处理设备无特殊要求且温度不高，操作简便，成本低，利于推广和大批量生产。

本发明的钛铝合金靶材的制备方法，在现有技术的基础上，对加工步骤的加工顺序和加工工艺的调整，使每个步骤相辅相成，有效降低靶材制备的加工难度，缩短加工时间，降低生产成本，提高产品成品率。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

混粉步骤，选用钛粉和铝粉，将钛粉和铝粉按设定比例称量后混合，形成混合粉末；

灌装步骤，将混合粉末装入冷等静压包套后，对冷等静压包套进行密封；

冷等静压步骤，将密封后的冷等静压包套放入冷等静压设备，对混合粉末进行冷等静压，使混合粉末的压实密度达到60至70%，形成钛铝混粉粉坯；

焊接包套脱气步骤，将钛铝混粉粉坯装入热等静压包套，在热等静压包套焊接抽气管，使抽气管与热等静压包套内部连通，对热等静压包套内进行抽真空，在抽真空后对热等静压包套进行密封；

热等静压步骤，对脱气后的热等静压包套内的钛铝混粉粉坯进行热等静压，将钛铝混粉粉坯的温度设置在250至450℃，热等静压的温度达到铝粉的软化点，铝粉将钛粉进行粘结，形成热等静压品；

合金化扩散热处理步骤，将热等静压品的温度设置在400至550℃放置4至8小时，形成钛铝混粉合金扩散品，将钛铝混粉合金扩散品进行水冷，使钛铝混粉合金扩散品冷却至室温；

机加工修整步骤，将冷却后的钛铝混粉合金扩散品进行机加工，对冷却后的钛铝混粉合金扩散品加工至规则性质的机加工成品。

2.根据权利要求1所述的一种钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：所述钛粉和所述铝粉的粒度分别设置在10至50μm，钛粉和铝粉的纯度分别设置在99%以上，钛粉和铝粉的氧含量分别低于1000ppm，钛和铝的原子百分比的含量分别设置在25%至75%。

3.根据权利要求2所述的一种钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：在所述混粉步骤中，将所述钛粉和所述铝粉放入球磨机中混合4至16小时，形成所述混合粉末。

4.根据权利于要求1所述的一种钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：在所述冷等静压步骤中，将所述冷等静压设备中的压力设置在130至180MPa，保持至少300秒后去除压力。

5.根据权利要求1所述的一种钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：在所述焊接包套脱气步骤中，对所述热等静压包套进行抽真空，将热等静压包套内的真空度设置在10E-4Pa，使所述钛铝混粉粉坯与热等静压包套之间的间隙小于1mm。

6.根据权利要求5所述的一种钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：在所述焊接包套脱气步骤和所述热等静压步骤中，所述热等静压包套选用低碳钢或铝合金制作。

7.根据权利要求1所述的一种钛铝合金靶材的制备方法， 其特征在于：在所述焊接包套脱气步骤中，对所述热等静压包套内进行抽真空后，对热等静压包套进行焊接密封，以氦气检漏仪进行检漏，使漏气率低于5E-12Pa•m3/s。

8.根据权利要求1所述的一种钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：在所述热等静压步骤中，将所述钛铝混粉粉坯放置于热等静压设备中，热等静压设备的压力值设置在120至170MPa，保持2至4小时。

9.根据权利要求1所述的一种钛铝合金靶材的制备方法，其特征在于：在所述热等静压步骤和所述合金化扩散热处理步骤之间设置有分切步骤，对所述热等静压品按照产品规格进行分切。

10.根据权利要求9所述的一种钛铝合金靶材的制备方法， 其特征在于：在所述分切步骤中，所述热等静压品分切后的厚度设置在70mm以下。

Images