CN1760406A - 一种金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的制备方法 - Google Patents

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CN1760406A CN 200510115739 CN200510115739A CN1760406A CN 1760406 A CN1760406 A CN 1760406A CN 200510115739 CN200510115739 CN 200510115739 CN 200510115739 A CN200510115739 A CN 200510115739A CN 1760406 A CN1760406 A CN 1760406A
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陈贵清
李晓海
孟松鹤
韩杰才
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Abstract

本发明涉及一种关于金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备的新工艺。采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法制备多层薄板。首先加热、蒸镀分离层材料,并使分离层材料的蒸汽在加热的基板上冷凝、沉积,得到分离层;接着在始终加热、蒸镀制备多层薄板所需的金属合金铸锭的基础上,间隔加热、蒸镀起增强作用的氧化物铸锭,使金属和氧化物弥散强化金属交替形成多层膜,待多层膜厚达到一定尺寸后冷却上述基板,并将多层膜从上述基板上分离下来,就得到金属/氧化物弥散强化金属多层薄板。

Description

一种金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种采用电子束物理气相沉积技术制备金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的方法。
背景技术
随着材料科学的发展,对有传统的结构材料或功能材料提出了更高的使用要求,因而氧化物弥散增强材料就伴随着机械合金化等工艺的完善而不断的发展起来。通过添加弥散、细小、稳定性极好的氧化物,使被增强的基体金属或合金具有更高的强度和硬度,并提高了材料的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化能力。如航空航天工业中使用的氧化物弥散强化镍基合金在高温下的性能甚至超过了采用沉淀强化的镍基单晶合金。
微层材料是将两种不同的材料按照一定的层间距及层厚比交互重叠形成的多层材料,一般是由基体和增强材料制备而成的。微层材料的性质由各个组分的成分、结构、性质以及层间距和层厚比等因素来决定。当两种合适的金属被制成微层材料的时候,这种材料就展示出比相同的合金具有更好的抗塑性变形和脆性断裂的能力,同时随着层厚的减小,该材料的强度会不同程度的提高。由于微层材料具有很多突出的性能,在航空、航天等领域蕴藏着巨大的应用潜力。
通常情况下,基体金属或合金在添加了氧化物提高强度和硬度的同时,材料的塑性也随之下降,因此为了保持原有材料塑性的基础上进一步提高材料的其它性能,就把微层的思想引入该领域,即考虑让金属和氧化物弥散强化金属交替制成微层薄板。该薄板内部由于存在薄膜效应、界面效应、耦合效应以及周期性效应而具有良好的综合性能,同时还具有性能可设计性强等优点。金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的研制成功,对很多领域的特殊要求,如航空航天领域要求材料具有重量轻、高强度、耐高温、易于加工等性能都能很好的实现。
传统的薄板制备技术多采用轧制的方法,但是由于技术设备的限制,宽度较大的薄板还很难轧制,同时传统的工艺也不可能制备出局部氧化物弥散分布的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板。
发明内容
本发明的目的是针对现有轧制法存在的很难轧制得到大尺寸的薄板,以及传统的工艺也不可能制备出局部氧化物弥散分布的多层薄板等不足,提供一种通过采用电子束物理气相沉积技术制备理想厚度和尺寸的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的方法。
本发明的技术方案为:一种金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的制备方法,采用电子束物理气相沉积工艺,包含以下步骤:
(1)准备蒸镀用基板和棒状待蒸镀材料铸锭,对基板进行研磨,使基板的表面粗糙度Ra≤1.6mm;
(2)将基板安装于基板转轴上,将待蒸镀材料铸锭分别放入水冷铜坩埚中,并将工作室抽真空至1~5×10-3Pa;
(3)设定工艺参数,包括基板旋转速度:0~30转/分钟,基板加热温度:取蒸镀材料熔点的0.3~0.6温度范围,铸锭进给速率:0~2mm/min,电子束加速电压:20kV,电子束电流:0~3A,电子束扫描形状:直线、圆形、椭圆形、矩形或波浪线形;
(4)加热基板;
(5)加热、蒸镀分离层棒料,沉积分离层;
(6)停止沉积分离层,在始终加热、蒸镀制备多层薄板所需的金属铸锭的基础上,间隔加热、蒸镀起增强作用的氧化物铸锭,使金属和氧化物弥散强化金属交替形成多层膜;
(7)停止电子枪加热,炉冷至200℃以下空冷,取出基板,并从基板上分离多层膜得到金属间化合物/金属多层薄板;
(8)对制备态金属间化合物/金属多层薄板进行后处理。
步骤(1)中的基板材料采用低碳钢、不锈钢或者高熔点的Mo、W金属材料,基板沉积面是平面、曲面或波纹面。
步骤(1)中的棒状待蒸镀材料铸锭包括分离层棒料、对应的基体金属或合金铸锭和相应的氧化物铸锭。
分离层棒料,是与金属合金浸润性差、易于在金属合金与分离层界面处或分离层与基板界面处分离的CaF2、MgF2、ZrO2或MgO。
金属合金铸锭是挤压棒或真空冶炼的铸锭棒。
氧化物铸锭采用热压烧结法或冷压成型法制备的铸锭棒。
氧化物铸锭的成分是Y2O3、或Al2O3、或Cr2O3、或ThO2、或ZrO2、或SiO2、或TiO2、或GeO2
制备的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的厚度为0.2~5mm。
各层厚度为1~20μm。
金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的层数为1~500层。
本发明的有益效果为:采用电子束物理气相沉积技术制备多层薄板,沉积速率和热效率提高,产物更为纯净、致密、且无污染,薄板厚度在0.2~5mm间任意调节,克服了现有轧制法在薄板厚度和层数上的局限。
附图说明
下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
图1是电子束物理气相沉积设备主视图。
图2是电子束物理气相沉积设备俯视图。
图3是电子束物理气相沉积设备侧视图。
图4是沉积后基板剖面示意图。
图5是制备的多层薄板剖面示意图。
具体实施方式
一种金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的制备方法,采用电子束物理气相沉积工艺,包含以下步骤:
(1)准备蒸镀用基板23和棒状待蒸镀材料铸锭;
(2)将基板23安装于基板转轴4上,将待蒸镀材料铸锭分别放入水冷铜坩埚中,并将工作室2抽真空至1~5×10-3Pa;
(3)设定工艺参数,包括基板23旋转速度:0~30转/分钟,加热基板23,取蒸镀材料熔点的0.3~0.6温度范围,铸锭进给速率:0~2mm/min,电子束加速电压:20kV,电子束电流:0~3A,电子束扫描形状:直线、圆形、椭圆形、矩形或波浪线形;
(4)加热基板23;
(5)加热、蒸镀分离层棒料,沉积分离层;
(6)停止沉积分离层,在始终加热、蒸镀制备多层薄板所需的金属铸锭的基础上,间隔加热、蒸镀起增强作用的氧化物铸锭,使金属和氧化物弥散强化金属交替形成多层膜;
(7)停止电子枪加热,炉冷至200℃以下空冷,取出基板23,并从基板23上分离多层膜得到金属/氧化物弥散强化金属多层薄板;
(8)对制备态金属/氧化物弥散强化金属多层薄板进行后处理。
步骤(1)中的基板材料采用低碳钢、不锈钢或者高熔点的Mo、W金属材料,基板沉积面是平面、曲面或波纹面。
步骤(1)中的棒状待蒸镀材料铸锭包括分离层棒料、对应的基体金属或合金铸锭和相应的氧化物铸锭。
分离层棒料,是与金属合金浸润性差、易于在金属合金与分离层界面处或分离层与基板界面处分离的CaF2、MgF2、ZrO2或MgO。
金属合金铸锭是挤压棒或真空冶炼的铸锭棒。
氧化物铸锭采用热压烧结法或冷压成型法制备的铸锭棒。
氧化物铸锭的成分是Y2O3、或Al2O3、或Cr2O3、或ThO2、或ZrO2、或SiO2、或TiO2、或GeO2
制备的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的厚度为0.2~5mm。
各层厚度为1~20μm。
金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的层数为1~500层。
制备薄板时,原材料铸锭应在保证纯度的同时,保证材料致密、没有气孔,这样可以防止材料熔化和蒸镀时发生飞溅,影响沉积多层薄板的表面质量。因此,最好采用两次真空冶炼的方法制备,以保证致密度和纯度,然后通过车床加工到规定尺寸。基板23安装前要进行研磨,使其表面粗糙度Ra≤1.6mm。基板23研磨后,要通过超声波清洗去除表面油污,然后干燥,备用。
下面以制备NiCoCrAl/Y2O3多层薄板为例,说明本发明的第1实施例,如图1至图3所示:
首先准备成分(wt%)为Cr25.57、Co3.83、Al5.71、Ni余量的镍基合金棒状铸锭、陶瓷纯Y2O3棒状铸锭和分离层材料ZrO2棒料。合金铸锭直径为98.5±0.5mm,长度为400mm;纯Y2O3铸锭直径为68.5±0.5mm,长度为70mm。ZrO2棒料直径为68.5±0.5mm,长度为80mm,通常采用真空热压烧结的方法制备。
之后装载蒸镀用棒料,将合金铸锭、纯Y2O3铸锭和ZrO2棒料分别放入水冷铜坩埚g4、水冷铜坩埚g1和水冷铜坩埚g2中。然后安装基板23,基板23采用低碳钢,直径为800mm。安装完基板23后,通过挡板传动装置5使挡板7移动到基板23正下方,遮挡的作用一方面是防止铸锭表面的杂质沉积到基板上,另一方面是用于防止蒸镀初期由于合金中各元素饱和蒸汽压不同而造成的膜中成分不均匀。然后关闭真空室前门6,打开循环水,开启预热扩散真空泵,同时检查和维护电子枪加热灯丝。
然后开始抽真空。首先用机械真空泵将真空抽至1×10-2Pa,然后打开扩散真空泵,将工作室2真空度抽至5×10-3Pa,抽真空需要1.5小时。当工作室2真空度达到5×10-3Pa时,开启控制基板旋转的旋钮,通过基板转轴4旋转基板23,调整基板转速为30转/分钟,同时加高压20kV,并启动电子枪d1、电子枪d2加热基板23。调整电子束扫描形状为波浪线形,该波浪线形的方向是沿基板23半径方向,电子枪d1和电子枪d2分别加热基板23外侧和内侧。设定电子束电流为0.8A,待基板23温度达到600℃,降低电子枪d1、电子枪d2的电子束电流至0.4A,以防止蒸汽在基板23上冷凝时放热使基板23温度过高,导致所制备的多层薄板倾向于形成缺陷较多的柱状晶。接着,开启电子枪d3加热水冷铜坩埚g2,进行蒸镀。蒸发速率由电子束电流和铸锭进给速率控制,电子束电流为1A,ZrO2进给速率为0.15mm/min。蒸镀3分钟后,移开挡板7,开始蒸镀ZrO2分离层。沉积ZrO2 10分钟后,关闭电子枪d3,同时,重新将挡板7移到基板23正下方。然后启动电子枪d4、电子枪d5分别加热水冷铜坩埚g4和水冷铜坩埚g1,电子束电流分别为3.0A和0.2A,进给速率分别为0.2mm/min和0.02mm/min。蒸镀5分钟后,先关闭电子枪d5,移开挡板7,开始沉积镍基合金层,其沉积速率为1.5μm/min。沉积合金1分钟后,打开电子枪d5,开始沉积Y2O3弥散颗粒,其沉积速率为0.1μm/min。沉积Y2O3 1分钟后,再关闭d5。在始终蒸镀合金铸锭的基础上,间隔1分钟蒸镀Y2O3铸锭,蒸镀200分钟后关闭所有电子枪,同时关闭高压电源。然后将挡板7移至基板23正下方,以防止NiCoCrAl/Y2O3多层薄板从基板23上脱落。高压电源关闭1小时后关闭冷却水。待炉冷至200℃以下,对工作室2充气,打开真空室前门6,至室温取出基板23,得到沉积了金属/氧化物弥散强化金属多层膜的基板23剖面图如图4所示,ZrO2分离层为10,NiCoCrAl合金层为11,Y2O3弥散强化合金层为12。通过机械方法将NiCoCrAl/Y2O3多层膜从基板23与分离层之间剥离,得到如图5所示的NiCoCrAl/Y2O3多层薄板。
实施例2
下面以制备FeCrAlTi/Y2O3多层薄板为例,说明本发明的第2实施例,如图1至图3所示:
首先准备成分(wt%)为Cr 20、Al 5.5、Ti 0.3、Fe余量的铁基合金棒状铸锭、陶瓷纯Y2O3棒状铸锭和分离层材料ZrO2棒料。合金铸锭直径为98.5±0.5mm,长度为400mm;纯Y2O3铸锭直径为68.5±0.5mm,长度为70mm。ZrO2棒料直径为68.5±0.5mm,长度为80mm,通常采用真空热压烧结的方法制备。
之后装载蒸镀用棒料,将合金铸锭、纯Y2O3铸锭和ZrO2棒料分别放入水冷铜坩埚g4、水冷铜坩埚g1和水冷铜坩埚g2中。然后安装基板23,基板23采用低碳钢,直径为800mm。安装完基板23后,通过挡板传动装置5使挡板7移动到基板23正下方。然后关闭真空室前门6,打开循环水,开启预热扩散真空泵,同时检查和维护电子枪加热灯丝。
然后开始抽真空。首先用机械真空泵将真空抽至1×10-2Pa,然后打开扩散真空泵,将工作室2真空度抽至5×10-3Pa,抽真空需要1.5小时。当工作室2真空度达到5×10-3Pa时,开启控制基板旋转的旋钮,通过基板转轴4旋转基板23,调整基板转速为30转/分钟,同时加高压20kV,并启动电子枪d1、电子枪d2加热基板23。调整电子束扫描形状为波浪线形,该波浪线形的方向是沿基板23半径方向,电子枪d1和电子枪d2分别加热基板23外侧和内侧。设定电子束电流为0.8A,待基板23温度达到600℃,降低电子枪d1、电子枪d2的电子束电流至0.4A,以防止蒸汽在基板23上冷凝时放热使基板23温度过高,导致所制备的多层薄板倾向于形成缺陷较多的柱状晶。接着,开启电子枪d3加热水冷铜坩埚g2,进行蒸镀。蒸发速率由电子束电流和铸锭进给速率控制,电子束电流为1A,ZrO2进给速率为0.15mm/min。蒸镀3分钟后,移开挡板7,开始蒸镀ZrO2分离层。沉积ZrO2 10分钟后,关闭电子枪d3,同时,重新将挡板7移到基板23正下方。然后启动电子枪d4、电子枪d5分别加热水冷铜坩埚g4和水冷铜坩埚g1,电子束电流分别为3.0A和0.2A,进给速率分别为0.2mm/min和0.02mm/min。蒸镀5分钟后,先关闭电子枪d5,移开挡板7,开始沉积铁基合金层,其沉积速率为1.5μm/min。沉积合金1分钟后,打开电子枪d5,开始沉积Y2O3弥散颗粒,其沉积速率为0.1μm/min。沉积Y2O3 1分钟后,再关闭d5。在始终蒸镀合金铸锭的基础上,间隔1分钟蒸镀Y2O3铸锭,蒸镀200分钟后关闭所有电子枪,同时关闭高压电源。然后将挡板7移至基板23正下方,以防止FeCrAlTi/Y2O3多层薄板从基板23上脱落。高压电源关闭1小时后关闭冷却水。待炉冷至200℃以下,对工作室2充气,打开真空室前门6,至室温取出基板23,得到沉积了金属/氧化物弥散强化金属多层膜的基板23剖面图如图4所示,ZrO2分离层为10,FeCrAlTi合金层为11,Y2O3弥散强化合金层为12。通过机械方法将FeCrAlTi/Y2O3多层膜从基板23与分离层之间剥离,得到如图5所示的FeCrAlTi/Y2O3多层薄板。

Claims (9)

1、一种金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的制备方法,采用电子束物理气相沉积工艺,其特征在于,包含以下步骤:
(1)准备蒸镀用基板和棒状待蒸镀材料铸锭,对基板进行研磨,使基板的表面粗糙度Ra≤1.6mm;
(2)将基板安装于基板转轴上,将待蒸镀材料铸锭分别放入水冷铜坩埚中,并将工作室抽真空至1~5×10-3Pa;
(3)设定工艺参数,包括基板旋转速度:0~30转/分钟,基板加热温度:取蒸镀材料熔点的0.3~0.6温度范围,铸锭进给速率:0~2mm/min,电子束加速电压:20kV,电子束电流:0~3A,电子束扫描形状:直线、圆形、椭圆形、矩形或波浪线形;
(4)加热基板;
(5)加热、蒸镀分离层棒料,沉积分离层;
(6)停止沉积分离层,在始终加热、蒸镀制备多层薄板所需的金属铸锭的基础上,间隔加热、蒸镀起增强作用的氧化物铸锭,使金属和氧化物弥散强化金属交替形成多层膜;
(7)停止电子枪加热,炉冷至200℃以下空冷,取出基板,并从基板上分离多层膜得到金属/氧化物弥散强化金属多层薄板;
(8)对制备态金属/氧化物弥散强化金属多层薄板进行后处理。
2、根据权利要求1所述的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备方法,其特征在于,步骤(1)中的基板材料采用低碳钢、不锈钢或者高熔点的Mo、W金属材料,基板沉积面是平面、曲面或波纹面。
3、根据权利要求1所述的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备方法,其特征在于,步骤(1)中的棒状待蒸镀材料铸锭包括分离层棒料、对应的金属合金铸锭和相应的氧化物铸锭。
4、根据权利要求3所述的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备方法,其特征在于,分离层棒料是与金属合金浸润性差、易于在金属合金与分离层界面处或分离层与基板界面处分离的CaF2、或MgF2、或ZrOX、或MgO。
5、根据权利要求3所述的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备方法,其特征在于,金属合金铸锭是挤压棒或真空冶炼的铸锭棒,氧化物铸锭采用热压烧结法或冷压成型法制备的铸锭棒。
6、根据权利要求3或5所述的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备方法,其特征在于,氧化物铸锭的成分是Y2O3、或Al2O3、或Cr2O3、或ThO2、或ZrO2、或SiO2、或TiO2、或GeO2
7、根据权利要求1所述的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备方法,其特征在于,制备的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的厚度为0.2~5mm。
8、根据权利要求7所述的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备方法,其特征在于,各层厚度为1~20μm。
9、根据权利要求1所述的金属/氧化物弥散强化金属多层薄板制备方法,其特征在于,金属/氧化物弥散强化金属多层薄板的层数为1~500层。
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