CN114481053B

CN114481053B - 一种镁锌铝镍钒合金靶材及其制造方法

Info

Publication number: CN114481053B
Application number: CN202210090033.4A
Authority: CN
Inventors: 张凤戈; 张学华; 魏铁峰; 岳万祥; 张欠男; 王建峰
Original assignee: Zhuozhou Antai Liujiu New Material Technology Co ltd; At&m Six Nine Materials Co ltd
Current assignee: Zhuozhou Antai Liujiu New Material Technology Co ltd; At&m Six Nine Materials Co ltd
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2024-01-19
Anticipated expiration: 2042-01-25
Also published as: CN114481053A

Abstract

本发明公开了一种镁锌铝镍钒合金靶材及其制备方法，合金靶材按原子百分比由以下成分组成：镁锌30‑60％，铝10‑40％、镍10‑40％、钒10‑40％，其中，镁锌中镁和锌的原子百分比为1:1；制备方法包括金属粉末的制备、预压处理和热压处理，得到镁锌铝镍钒合金靶材；其中，金属粉末的制备中，将镁锌源、铝源、镍源和钒源进行混料，得到金属粉末；采用镁锌合金代替常规镁源和锌源，确保生产安全。本发明制备得到的镁锌铝镍钒高熵合金靶材包括Al相、MgZn相、Ni相和V相，具有致密度高、合金化程度适当，无气孔和偏析，无裂纹，加工性能良好，组织均匀等优点，相对密度超过99％。

Description

一种镁锌铝镍钒合金靶材及其制造方法

技术领域

本发明属于粉末冶金材料及其制造技术领域，特别涉及一种镁锌铝镍钒合金靶材及制造方法。

背景技术

随着硬质镀膜材料的发展，从最初的TiN、TiC演变为TiCN、TiAlN，如何提高膜层的耐磨性能和应用温度成为主要研究方向。在TiSi靶材溅射时通入氮气形成的TiSiN硬质镀层，形成非晶Si₃N₄包裹TiN的特殊纳米复合结构，显著提高了涂层的硬度和抗氧化性能。使用温度为1100℃，膜层的抗机械磨损、抗磨料磨损性能和应用温度相对TiCN和TiAlN等有较大提高，为汽车、工模具等行业提供了更加优良的高温耐磨抗氧化膜材料。高速、干式切削成为未来刀具发展的主要方向，作为新一代刀具涂层材料而备受关注，刀具镀膜用靶材的需求量日益扩大。

磁控溅射是制备高熵硬质膜层的关键技术之一，而制备高熵硬质膜层需要高品质高熵合金靶材。但是，现有技术中采用熔炼方法制备的高熵合金，由于不同尺寸的原子无序的固溶在一起，所形成的固溶体晶格畸变很大，造成高熵合金本身所含相即为脆性相，因而，采用熔炼方法制备的高熵合金靶材存在着合金脆性高、硬度高以及成分偏析等缺点，其中，由于大量的脆性相存在而引起的合金脆性导致高熵合金容易开裂，较难加工；同时采用熔炼方法制备的高熵合金靶材的合金延性差，还可导致合金不易冷热加工，所以高熵合金靶材难以采用熔铸方法制备。

因而，需要提供一种新型的高熵合金靶材及其制造方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种镁锌铝镍钒合金靶材及制造方法，该靶材具有良好的致密性，合金化程度适当，无气孔、无疏松和偏析，成分均匀，规格尺寸大的特点，其形成的涂层硬度及抗氧化性高，满足连续切削和难加工材料加工方面的使用要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种镁锌铝镍钒合金靶材，所述合金靶材按原子百分比由以下成分组成：镁锌30-60％，铝10-40％、镍10-40％、钒为10-40％，其中，镁锌中镁和锌的原子百分比为1:1。

上述镁锌铝镍钒合金靶材，作为一种优选实施方式，所合金靶材按原子百分比由以下成分组成：镁锌为35-50％(比如35％、40％、45％、50％)，铝为15-25％(比如，16％、17％、18％、19％、20％、22％、24％)、镍为15-25％(比如，16％、17％、18％、19％、20％、22％、24％)、钒为10-20％(比如，16％、17％、18％、19％、)，其中，镁锌中镁和锌的原子百分比为1:1。

上述镁锌铝镍钒合金靶材，作为一种优选实施方式，所述合金靶材按原子百分比由以下成分组成：镁25％、锌25％、铝20％、镍20％和钒10％。

上述镁锌铝镍钒合金靶材，作为一种优选实施方式，所述镁锌铝镍钒合金靶材的相对密度超过99％，组织均匀；优选地，所述镁锌铝镍钒合金靶材包括Al相、MgZn相、Ni相和V相。

本发明采用镁锌合金(镁锌源)代替纯镁(镁源)和纯锌(锌源)，得到的合金靶材中含有镁锌相，不含纯镁相和纯锌相，合金化程度适中而且靶材组织均匀，保障了镀膜层的质量；V的加入提高了合金靶材的固溶强化效果。此外，本发明通过添加Al、Ni、V等合金元素调节物相与微观组织，改善涂层的力学性能与功能特性。

本发明还提供了上述镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，采用如下技术方案。

一种镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，包括：金属粉末的制备、预压处理和热压处理；其中，

金属粉末的制备：按照上述镁锌铝镍钒合金靶材的成分设计要求，将镁锌源、铝源、镍源和钒源进行混料，得到金属粉末；

预压处理：对所述金属粉末进行预压处理，得到合金压坯；

热压处理，对所述合金压坯在真空条件下进行热压处理，得到镁锌铝镍钒合金靶材。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，还包括后处理步骤，对所述镁锌铝镍钒合金靶材进行机加工，清洗后得到所需要的成品合金靶材。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述镁锌源是镁锌(MgZn)合金粉，所述铝源是铝粉，所述镍源是镍粉，所述钒源是钒粉。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述铝粉、镍粉和钒粉的纯度分别为99.6wt％以上(比如，99.7wt％、99.8％、99.9％)，MgZn合金粉的纯度为99.5wt％以上(比如，99.6wt％、99.7wt％、99.8％、99.9％)；优选地，所述铝粉、镍粉和钒粉的纯度分别为99.9wt％以上，MgZn合金粉的纯度为99.8wt％以上。

进一步优选地，所述铝粉、镍粉和钒粉的平均粒度为20-150μm(比如，25μm、40μm、60μm、80μm、100μm、120μm、130μm、145μm)，所述MgZn合金粉的平均粒度为20-150μm(比如，25μm、40μm、60μm、80μm、100μm、120μm、130μm、145μm)。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述镁锌合金粉采用常规镁源(比如，镁粉)和常规锌源(比如，锌粉)，按照镁锌原子百分比为1:1制备得到镁锌合金粉。镁锌合金粉的制备可采用本领域常规方法进行。

一般来说，制备镁锌铝镍钒合金靶材常采用镁粉+锌粉+铝粉+镍粉+钒粉作为原料，镁粉、锌粉和铝粉三者无合金化，混粉以及热压时容易发生爆炸；这是因为在粉末混合的过程中，由于纯镁和纯锌的熔点低，容易着火。本发明采用优选的铝粉、镍粉、钒粉和MgZn合金粉制备靶材，MgZn合金粉无闪点且不易燃，用MgZn合金粉代替纯镁和纯锌，能够在保证安全生产的同时，得到的靶材合金化程度适当，靶材无裂纹，同时能有效控制薄膜缺陷，提高溅射薄膜质量。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述金属粉末的制备步骤中，所述混料在惰性气体(例如，氩气)保护条件下进行，混粉过程中不放入氧化锆小球。由于氧化锆小球在混粉时会互相撞击，可能产生火花，发生危险，因而本发明在混粉过程中不放入氧化锆小球。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述金属粉末的制备步骤中，所述混料在三维混料机中进行。

在上述制备方法中，作为一种优选方式，金属粉末制备步骤中，当采用三维混料机进行原料的混合时，所述混料在惰性气体保护条件下进行，混料时间为3-5h(比如3.5h、4h、4.5h)。

上述制备方法中，作为一种优选方式，所述金属粉末的制备步骤中，所述金属粉末的平均粒度为20-150μm，示例性地，平均粒度可以为30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、145μm。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在预压处理步骤中，所述预压处理在常温大气下，即，在常温环境下进行；所述预压处理的压力为8～15MPa(例如，9MPa、10MPa、11MPa、12MPa、14MPa)，保压时间为2～5min(例如，2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min)。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在热压处理步骤中，所述热压处理的保温温度为500-1000℃(例如，550℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、980℃)，保温时间为0.5-2h(例如，0.5h、1h、1.5h、2h)，压力为30-80MPa(例如，35MPa、45MPa、55MPa、60MPa、70MPa)，保温时真空度控制在0.9*10^-3Pa～1.1*10^-3Pa(例如，0.95*10^-3Pa、1.0*10^- ³Pa、1.05*10^-3Pa)。

本发明的热压处理中，保温温度低于500℃则压坯致密度不足；高于1000℃则粉末将会融化。此外，在真空条件下进行热压处理，能保证靶材的成分不会与气体发生反应，不会发生燃烧和爆炸的危险。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在热压处理步骤中，所述热压处理的保温温度为600-900℃(例如，650℃、700℃、750℃、800℃、850℃)，优选为750-850℃(例如，780℃、800℃、820℃、840℃)。

本发明采用热压法工艺生产镁锌铝镍钒合金靶材，容易获得均匀的微观组织结构，靶材密度均匀，能够满足大尺寸靶材的生产，可制得性能优异的合金溅射靶材。

本发明中，热压工艺的模具为石墨，不会与靶材发生反应；而且，压力较低，40MPa即可达到相对密度的99％，不会将靶材压裂，再次，整个过程为真空烧结，不会发生燃烧和爆炸的危险，因此采用本发明的热压工艺可行性高，生产过程安全，同时也能满足不同尺寸的要求。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)本发明提供的制备方法制得的镁锌铝镍钒合金靶材具有致密度高、合金化程度适中，无气孔和偏析，无裂纹、组织均匀等优点，相对密度超过99％；

2)本发明中，原料采用镁锌合金粉替代镁粉和锌粉，生产过程得以实现，混粉以及热压过程不会发生爆炸，得到的靶材合金化程度适中，组织均匀，更提高了溅射薄膜质量；

3)采用本发明的原料，结合本发明的工艺条件特别是热压工艺条件，实现了靶材组织均匀的控制，即，采用本发明的方法得到的合金靶材无纯镁相和纯锌相，合金化程度适中而且靶材组织均匀，保障了镀膜层的质量；

4)本发明制备的合金靶材适用于多种刀具、磨具涂层溅射使用，可以大大提高涂层硬度及抗氧化性，满足连续切削和难加工材料加工方面的使用要求；

5)本发明提供的制备方法采用适当的热压工艺，可行性更高，生产过程更加安全，适合大批量生产、尺寸规格更宽广。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的镁锌铝镍钒合金靶材的显微组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下实施例中使用原料均为市售产品。以下实施例中各参数的测定方法如下：

相对密度采用阿基米德排水法进行测定；微观组织采用扫描电镜进行分析。

实施例1

本实施例提供的镁锌铝镍钒合金靶材由以下原子百分比的成分组成：镁锌50％，铝20％、镍20％，钒10％；镁锌中，镁和锌的原子比例为1:1；即，在镁锌铝镍钒合金靶材中，以下原子百分比计，镁为25％，锌为25％。

上述镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，包括以下步骤：

步骤一(金属粉末的制备)，按上述靶材成分的设计要求，称取平均粒度为80μm、纯度为99.9％的钒粉和镍粉，纯度99.8％的铝粉和镁锌合金粉，在氩气保护条件下将其在三维混料机中混合3h，得到金属粉末；

步骤二(预压处理)，将步骤一得到的金属粉末装入石墨模具中，常温大气下在10MPa的压力下进行预压处理，保压时间为3min，得到合金压坯；在常温大气下对合金粉末预压处理，防止真空烧结时合金粉末变形量过大而损坏模具；

步骤三(热压处理)，将步骤二得到的合金压坯进行真空烧结，保温温度为800℃，保温时间1.5h，压力40MPa，保温时真空度控制在10^-3Pa左右，得到合金锭坯；

步骤四，对热压处理后的合金锭坯进行机加工，清洗后得到所需要的成品合金靶材。

本实施例得到的靶材的相对密度达到99.5％，组织均匀。图1是本实施例制得的合金靶材的扫描电镜照片；从图中可以看出，本实施例获到的合金靶材具有致密度高、无气孔和偏析，组织均匀特点；合金靶材的硬度在HRA70左右，上下浮动±2，延展性在1％之内；靶材在使用的时候不会断裂，说明本实施例的合金靶材合金化程度适当。

实施例2

本实施例提供的镁锌铝镍钒合金靶材由以下原子百分比的成分组成：镁锌40％，铝20％、镍20％，钒20％；其中，镁锌中，镁和锌的原子比例为1:1；即，以下原子百分比计，镁锌铝镍钒合金靶材中，镁为20％，锌为20％。

上述镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，包括以下步骤：

步骤一(金属粉末的制备)，按上述合金靶材成分的设计要求称取平均粒度为80μm、纯度为99.9％的钒粉和镍粉，纯度99.8％的铝粉和镁锌合金粉，在氩气保护条件下将其在三维混料机中混合3h，得到金属粉末；

步骤三(热压处理)，将步骤二得到的合金压坯进行真空烧结，保温温度为850℃，保温时间1.5h，压力45MPa，保温时真空度控制在10^-3Pa左右，得到合金锭坯；

本实施例得到的合金靶材的相对密度达到99.3％，组织均匀；靶材在使用的时候不会断裂，说明本实施例的合金靶材合金化程度适当。

对比例

本实施例中除了所用原料中镁锌合金粉末被纯镁粉和锌粉替代外，其他步骤和工艺条件均与实施例1相同。

本实施例在混粉过程中出现零星单点处燃烧，随即终止实验。

实施例3-7

实施例3-7中除了步骤三中的热压制度不同外，其他步骤和工艺条件均与实施例1相同，所得到的合金靶材组织均匀；靶材在使用的时候不会断裂，说明本实施例的合金靶材合金化程度适当。具体的热压制度和产品的性能参数参见下表1。

表1实施例3-7中的热压工艺参数及所得合金靶材成品的相对密度

实施例	保温温度/℃	保温时间/h	压力/MPa	相对密度
					实施例3	500	1.5	40	95.2％
实施例4	750	1.5	40	99.1％
					实施例5	850	1.5	40	99.8％
实施例6	900	1.5	40	99.8％
					实施例7	600	1.5	40	97.1％

实施例8

本实施例提供的镁锌铝镍钒合金靶材由以下原子百分比的成分组成：镁锌30％，铝25％、镍25％，钒20％；镁锌中，镁和锌的原子比例为1:1；即，在镁锌铝镍钒合金靶材中，以下原子百分比计，镁为15％，锌为15％。

该镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法同实施例1，制备得到的合金靶材相对密度达到99.2％，无气孔和偏析，组织均匀；靶材在使用的时候不会断裂，说明本实施例的合金靶材合金化程度适当。

实施例9

本实施例提供的镁锌铝镍钒合金靶材由以下原子百分比的成分组成：镁锌60％，铝15％、镍15％，钒10％；镁锌中，镁和锌的原子比例为1:1；即，在镁锌铝镍钒合金靶材中，以下原子百分比计，镁为30％，锌为30％。

该镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法同实施例1，制备得到的合金靶材相对密度达到99.8％，无气孔和偏析，组织均匀。

由上述实施例可知，采用本发明的技术方案获得的镁锌铝镍钒合金靶材具有致密度高，合金化程度高，无气孔和偏析，组织均匀等优点，适用于多种刀具、模具涂层镀膜使用。

Claims

1.一种镁锌铝镍钒合金靶材，所述合金靶材按原子百分比由以下成分组成：镁锌30-60％，铝10-40％、镍10-40％、钒10-40％，其中，镁锌中镁和锌的原子百分比为1:1，和所述合金靶材含有镁锌相，不含纯镁相和纯锌相。

2.根据权利要求1所述的镁锌铝镍钒合金靶材，其特征在于，所合金靶材按原子百分比由以下成分组成：镁锌为35-50％，铝为15-25％、镍为15-25％、钒为10-20％，其中，镁锌中镁和锌的原子百分比为1:1。

3.根据权利要求2所述的镁锌铝镍钒合金靶材，其特征在于，所述合金靶材按原子百分比由以下成分组成：镁25％、锌25％、铝20％、镍20％和钒10％。

4.根据权利要求2所述的镁锌铝镍钒合金靶材，其特征在于，所述镁锌铝镍钒合金靶材的相对密度超过99％。

5.根据权利要求2所述的镁锌铝镍钒合金靶材，其特征在于所述镁锌铝镍钒合金靶材还包括Al相、Ni相和V相。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，包括如下步骤：金属粉末的制备、预压处理和热压处理；其中，

预压处理：对所述金属粉末进行预压处理，得到合金压坯；

7.根据权利要求6所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，还包括后处理步骤，对所述镁锌铝镍钒合金靶材进行机加工，清洗后得到所需要的成品合金靶材。

8.根据权利要求6所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的制备步骤中，所述镁锌源是镁锌合金粉，所述铝源是铝粉，所述镍源是镍粉，所述钒源是钒粉。

9.根据权利要求8所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述铝粉、镍粉和钒粉的纯度分别为99.6wt％以上，所述镁锌合金粉的纯度为99.5wt％以上。

10.根据权利要求9所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述铝粉、镍粉和钒粉的纯度分别为99.9wt％以上，所述镁锌合金粉的纯度为99.8wt％以上。

11.根据权利要求8所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述铝粉、镍粉和钒粉的平均粒度为20-150μm，所述镁锌合金粉的平均粒度为20-150μm。

12.根据权利要求8所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述镁锌合金粉采用常规镁源和常规锌源，按照镁锌原子百分比为1:1制备得到镁锌合金粉。

13.根据权利要求6所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的制备步骤中，所述混料在惰性气体保护条件下进行，混粉过程中不放入氧化锆小球。

14.根据权利要求13所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的制备步骤中，所述混料在三维混料机中进行。

15.根据权利要求14所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的制备步骤中，当采用三维混料机进行原料的混合时，所述混料在惰性气体保护条件下进行，混料时间为3-5h。

16.根据权利要求6、8至15中任一项所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的制备步骤中，所述金属粉末的平均粒度为20-150μm。

17.根据权利要求6所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述预压处理步骤中，所述预压处理在常温大气下，所述预压处理的压力为8～15MPa，保压时间为2～5min。

18.根据权利要求6所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述热压处理步骤中，所述热压处理的保温温度为500-1000℃，保温时间为0.5-2h，压力为30-80MPa，保温时真空度控制在0.9*10^-3Pa-1.1*10^-3Pa。

19.根据权利要求18所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述热压处理步骤中，所述热压处理的保温温度为600-900℃。

20.根据权利要求19所述的镁锌铝镍钒合金靶材的制备方法，其特征在于，所述热压处理步骤中，所述热压处理的保温温度为750-850℃。