一种CrAlCu复合靶材及其制备方法和应用 |
|||||||
| 申请号 | CN202310985463.7 | 申请日 | 2023-08-07 | 公开(公告)号 | CN116988026B | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 苏州六九新材料科技有限公司; 北京安泰六九新材料科技有限公司; | 发明人 | 张凤戈; 施政; 魏铁峰; 孟晓亭; 张欠男; 岳万祥; 张学华; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及粉末 冶金 材料的技术领域，具体公开了一种CrAlCu复合靶材及其制备方法和应用。本申请公开的CrAlCu复合靶材为双层结构，以CrAlCu 合金 靶材为靶材上层，以Al 背板 为靶材底层；所述CrAlCu合金靶材按 原子 百分比由以下成分组成：Cr=30‑69at%，Al=30‑69at%，Cu=1‑10at%；所述CrAlCu合金靶材的厚度大于所述Al背板的厚度。本申请还公开了上述CrAlCu复合靶材的制备方法及其应用。本申请公开的CrAlCu复合靶材成分控制精准，组织均匀无偏析，导热性能和 力 学性更优，可以解决常规CrAlCu靶材 制造过程 中存在的 熔化 问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种CrAlCu复合靶材，其特征在于，所述CrAlCu复合靶材为双层结构，以CrAlCu合金靶材为靶材上层，以Al背板为靶材底层；所述CrAlCu合金靶材按原子百分比由以下成分组成：Cr=50‑65at%，Al=30‑45at%，Cu=5‑10at%；所述CrAlCu合金靶材的厚度大于所述Al背板的厚度； |
||||||
| 说明书全文 | 一种CrAlCu复合靶材及其制备方法和应用技术领域背景技术[0002] 随着社会的进步和科技的发展，对材料表面性能提出了越来越高的要求，不仅要求其具有较高的硬度、耐磨、耐腐蚀性能，更要求其具有较高的耐高温性能，以满足越来越高的工程需要。 [0003] 在材料表面涂覆一层硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径，硬质涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中占了主导地位。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。 [0004] 近年来，利用物理气相沉积技术(PVD)在工、模具表面制备先进硬质涂层的应用受到广泛关注。复合多层膜、纳米复合多层膜成为目前超硬涂层技术发展的重要方向。这些涂层不仅应用于切削刀具领域，也在模具行业得到一定程度的应用。 [0005] 目前，在AlCrN涂层中加入的Cu元素，通过形成AlCrCuN纳米复合结构，由于不具有NaCl型结晶结构，且在使用金属中添加了氮化难度最大的Cu元素，显著提高了靶材的耐磨性。但是，由于Cu和Al会发生反应，在热等静压时Cu和Al反应放热量大，会导致锭坯熔化，导致靶材制备失败。发明内容 [0006] 为了解决上述技术问题，本申请提供一种CrAlCu复合靶材及其制备方法和应用。 [0007] 本申请提供了一种CrAlCu复合靶材，采用如下的技术方案： [0008] 一种CrAlCu复合靶材，所述CrAlCu复合靶材为双层结构，以CrAlCu合金靶材为靶材上层，以Al背板为靶材底层；所述CrAlCu合金靶材按原子百分比由以下成分组成：Cr＝30‑69at％，Al＝30‑69at％，Cu＝1‑10at％；所述CrAlCu合金靶材的厚度大于所述Al背板的厚度。 [0009] 本申请提供的复合靶材具有双层结构，上层以铬铝铜合金靶材为基体，底层是铝板，上层结合于底层上；本申请采用该制备方法得到的铬铝铜合金靶材具有纯度高，致密度高，成分控制精准，组织均匀无偏析，导热性能和力学性更优，可以解决常规CrAlCu靶材制造过程中存在的熔化问题。 [0010] 优选地，所述CrAlCu合金靶材按原子百分比由以下成分组成：Cr＝50‑65at％，Al＝30‑45at％，Cu＝5‑10at％。 [0011] 在一个具体的实施方案中，所述CrAlCu合金靶材按原子百分比可以由以下成分组成：Cr＝30at％，Al＝69at％，Cu＝1at％；Cr＝45at％，Al＝50at％，Cu＝5at％；Cr＝48at％，Al＝42at％，Cu＝10at％；Cr＝66at％，Al＝33at％，Cu＝1at％；Cr＝60at％，Al＝ 30at％，Cu＝10at％；Cr＝50at％，Al＝45at％，Cu＝5at％；Cr＝65at％，Al＝35at％，Cu＝ 5at％；Cr＝55at％，Al＝35at％，Cu＝10at％。 [0012] 优选地，所述CrAlCu合金靶材的厚度为8±1mm；所述Al背板的厚度为4±1mm。 [0013] 优选地，所述CrAlCu合金靶材的相对密度≥98％，平均晶粒尺寸≤100μm。 [0014] 第二方面，本申请提供了上述CrAlCu复合靶材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤： [0015] 按照所述CrAlCu合金靶材的成分比例，将Cu粉以CrCu合金粉末的形式和Al粉或者将Cu粉以CrCu合金粉末的形式与Al粉以及Cr粉混合均匀，得到CrAlCu合金粉末； [0016] 将所述CrAlCu合金粉末和Al背板相叠放入包套后，依次进行脱气处理和热等静压处理，得到复合坯料； [0017] 将所述复合坯料去除包套后，进行机加工和清洗，得到所述CrAlCu复合靶材。 [0019] 在AlCrN涂层中加入的Cu元素，通过形成AlCrCuN纳米复合结构，由于不具有NaCl型结晶结构，且在使用金属中氮化难度最大的Cu的添加，显著提高了耐磨性。由于Cu和Al会发生反应，在热等静压时Cu和Al反应放热量大，会导致锭坯熔化从而靶材制备失败。本申请将Cu以CrCu合金粉末的形式加入，有效避免了直接加Cu粉时，Cu粉与Al粉产生反应放热，造成材料熔化的现象出现。 [0020] 优选地，各原料粉末的规格参数具体为：纯度为99.8wt％以上，粒度为‑325目。 [0024] 本申请采用温度较高的脱气处理步骤，在该过程中，真空度条件下，Cu和Al先反应；保证热等静压温度较低，Cu和Al不会发生剧烈反应，避免了反应放热过多，导致靶材脆性大，甚至出现熔化现象。 [0025] 优选地，所述热等静压的条件为：温度为350‑450℃，压力为120‑140MPa，保温保压时间为4‑6h。 [0027] 第三方面，本申请还提供了上述CrAlCu复合靶材在制备用于刀具硬质涂层或模具硬质涂层中的应用。 [0028] 综上所述，本申请的技术方案具有以下效果： [0029] 本申请制备的CrAlCu复合靶材为双层结构，与单层CuAlCu靶材相比，热等静压时Cu和Al反应放热量相对减少，锭坯熔化风险降低，同时双层靶材利用率更高，节约靶材使用成本。 [0030] 本申请制备的CrAlCu合金靶材具有纯度高，致密度高，组织均匀无偏析，导热性能和塑性都有改善。 [0031] 本申请制备的复合结构的CrAlCu靶材具有高的热导率和良好的综合力学性能；当该复合靶材在高的溅射功率或功率密度下使用时，靶材装夹部位能承受机械应力和热应力作用，不会脆性断裂和受力弯曲翘曲。附图说明 [0032] 图1为本申请的CrAlCu复合靶材的结构示意图，其中，1为CrAlCu合金靶材，2为Al背板。 [0033] 图2为本申请实施例1制备的CrAlCu复合靶材的显微组织图。 [0034] 图3为本申请实施例1制备的CrAlCu复合靶材镀膜后的涂层显微形貌。 具体实施方式[0035] 以下结合实施例、对比例以及性能检测试验对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。 [0036] 实施例 [0037] 实施例1‑8 [0038] 实施例1‑8分别提供了一种CrAlCu复合靶材。 [0039] 上述实施例的不同之处在于：CrAlCu复合靶材的组成，具体如表1所示。 [0040] 上述实施例中CrAlCu复合靶材的制备方法具体包括以下步骤： [0041] S1：将Cu粉以CrCu合金粉末的形式，CrCu混合粉和Al粉或者CrCu粉、Al粉以及Cr粉按照上述所述CrAlCu合金靶材的成分比例混合均匀，得到CrAlCu合金粉末； [0042] S2：将所述CrAlCu合金粉末和Al背板相叠放入包套；对包套进行脱气处理，脱气处‑3理的条件为：温度550℃，真空度为1×10 Pa，保温时间30h。 [0043] S3：将脱气后的锭坯放入热等静压炉内进行热等静压处理，热等静压的条件为：温度为400℃，压力130MPa，保温保压时间为5h。 [0044] S4：将热等静压后的锭坯通过车加工去除包套，通过线切割加工得到CrAlCu复合靶材坯料，然后通过车加工、铣加工等加工方式得到所需外形尺寸的CrAlCu复合靶材；尺寸为D160*12mm，其中，CrAlCu合金靶材的靶层厚度8±1mm，Al背板厚度4±1mm。 [0045] 表1实施例1‑8中CrAlCu复合靶材的组成 [0046] [0047] 实施例9‑16 [0048] 实施例9‑16分别提供了一种CrAlCu复合靶材。 [0049] 上述实施例与实施例5的不同之处在于：预合金化处理和热等静压的具体工艺参数不同，具体如表2所示。 [0050] 表2实施例5、9‑16中预合金化处理和热等静压的具体工艺参数 [0051] [0052] [0053] 对比例 [0054] 对比例1 [0055] 本对比例提供了一种CrAlCu复合靶材。 [0056] 本对比例与实施例5不同之处在于：CrAlCu复合靶材为单层靶，不含有底层。 [0057] 本对比例中CrAlCu复合靶材的制备方法具体包括以下步骤： [0058] S1：制备单层CrAlCu靶材所需合金粉末，将Cr粉、Al粉和Cu粉按照原子百分比含量Cr：60at％，Al：30at％，Cu：10at％称量后混合均匀，Cr粉、Al粉、Cu粉粒度均为‑325目； [0059] S2：将所述CrAlCu合金粉末和Al背板相叠放入包套；对包套进行脱气处理，脱气处‑3理的条件为：温度550℃，真空度为1×10 Pa，保温时间30h。 [0060] S3：将脱气后的锭坯放入热等静压炉内进行热等静压处理，热等静压的条件为：温度为400℃，压力130MPa，保温保压时间为5h。 [0061] 本对比例在热等静压时Cu和Al反应放热量过多，锭坯存在熔化现象。 [0062] 对比例2‑5 [0063] 对比例2‑5分别提供了一种复合靶材。 [0064] 上述对比例与实施例5的不同之处在于：复合靶材的组成，具体为： [0065] 对比例2中复合靶材的组成为：以原子百分比组成为60/30/10at％的CrAlB合金靶材为上层，以Al背板为底层。 [0066] 对比例3中复合靶材的组成为：以原子百分比组成为60/30/5/5at％的CrAlCuFe合金靶材为上层，以Al背板为底层。 [0067] 对比例4中复合靶材的组成为：以原子百分比组成为60/30/10at％的CrAlCu合金靶材为上层，以原子百分比组成为40/60at％的TiAl背板为底层。 [0068] 对比例5中复合靶材的组成为：以原子百分比组成为60/30/10at％的CrAlCu合金靶材为上层，以Cu板为底层。 [0069] 对比例6 [0070] 对比例6提供了一种复合靶材。 [0071] 本对比例与实施例4的不同之处在于：CrAlCu复合靶材的制备方法中步骤S1不同，具体为：S1：制备单层CrAlCu靶材所需合金粉末，按照原子百分比，将Cu粉直接添加于Cr粉、Al粉中进行混合。 [0072] 本对比例中直接添加Cu粉，Cu会与Al基体发生合金化反应，在热等静压时Cu和Al反应放热量大，会导致锭坯熔化。 [0073] 性能检测试验 [0074] 1.微观组织 [0076] 可以看出靶材上层和底层之间结合紧密，CrAlCu合金靶材的相对密度为99.8％(排水法检测)，平均晶粒尺寸为90μm。 [0077] 图3为本实施例制备的CrAlCu复合靶材应用电弧离子镀镀膜后所形成的涂层的显微形貌图，可以看出涂层表面的液滴、孔洞等缺陷较少，这表明制备的CrAlCu复合靶材的成分、晶粒尺寸分布均匀。因为如果靶材有偏析，晶粒尺寸不均匀，镀膜时电弧在靶材表面跑动就会不均匀，导致靶材表面局部熔池温度升高，形成液滴喷溅，导致涂层表面液滴、孔洞等缺陷增多。 [0078] (2)相对密度：相对密度是按照靶材实测密度值除以理论密度值，实测密度通过阿基米德排水法测量。 [0080] (4)采用Instron3369万能材料试验机测量力学性能，依据国标GB/T 228.1‑2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》；采用LFA‑457激光导热仪测量导热系数，依据国标GB/T22588‑2008《闪光法测量热扩散系数或导热系数》。 [0081] 检测结果：如表3所示。 [0082] 表3实施例1‑16与对比例1‑6中CrAlCu复合靶材中CrAlCu合金靶材的性能检测结果 [0083] [0084] [0085] 结合表3，通过对比实施例1‑16与对比例1‑6的检测结果，本申请制备的CrAlCu复合靶材为双层结构，靶材纯度高，致密度高，且上层CrAlCu合金靶材具有较高的抗拉强度、屈服强度、延伸率和热导率，将实施例制备的CrAlCu复合靶材用作刀具的涂层材料时，该复合靶材在高的溅射功率或功率密度下使用时，靶材装夹部位能承受机械应力和热应力作用，既不会脆性断裂，也不会因塑性太好而受力弯曲翘曲。 [0086] 本申请将CrAlCu合金靶材和Al背板相结合制备复合靶材，利用Al背板的高强度，防止靶材在高的溅射功率或功率密度下使用时装夹部位发生断裂或弯曲，即改善了单纯CrAlCu合金靶材的材料本征脆性问题，同时，CrAlCu合金靶材能够提高硬质涂层的硬度和耐磨性能，降低膜层残余应力。 [0087] 对比例1中采用CrAlCu单层靶，在热等静压时Cu和Al反应放热量过多，锭坯存在熔化现象。 [0088] 对比例2‑3中靶材的上层为CrAlB合金靶材或者CrAlCuFe合金靶材时，复合靶材的延伸率和热导率较低。 [0089] 对比例4‑5中靶材的底层为TiAl背板或者Cu板时，复合靶材的抗拉强度、屈服强度较低。 [0090] 通过对比实施例5与对比例6的检测结果，在制备复合靶材的过程中，对比例6直接添加Cu粉，Cu会与Al基体发生合金化反应，形成脆性合金相，靶材的密度要高于理论密度值，相对密度＞100％；此合金相的产生，虽然可以提升靶材强度，但会显著降低靶材塑性，使靶材脆性显著增加，同时热导率也明显变差。 [0091] 通过对比实施例1‑10的检测结果，通过筛选CrAlCu合金靶材按原子百分比由以下成分组成：Cr＝50‑65at％，Al＝30‑45at％，Cu＝5‑10at％时，可以明显提高靶材的强度、延伸率和热导率。 [0092] 通过对比实施例5、9‑14的检测结果，当脱气处理的温度较低或者处理时间较短时，容易使得Cu会与Al背板在后续热等静压的高温高压中发生强烈的合金化反应，形成脆性合金相，降低靶材的延伸率，使靶材脆性增加，同时热导率也明显变差；而当脱气处理的温度较高或者处理时间较长时，Cu会与Al背板在脱气处理过程中即发生强烈的合金化反应，同样会使得靶材的延伸率和热导率降低。因此，本申请将脱气处理的条件控制为：温度‑2 ‑3为500‑600℃，真空度为10 ‑10 Pa；保温时间为20‑40h。 [0093] 通过对比实施例5、15‑16的检测结果，当热等静压处理温度较低时，靶材致密度低，影响镀膜性能，且靶材的抗拉强度和屈服强度较差；当热等静压处理温度较高时，Cu会与Al背板基体发生强烈的合金化反应，使得靶材的延伸率和热导率降低。因此，本申请将热等静压处理的条件控制为温度为350‑450℃，压力为120‑140MPa，保温保压时间为4‑6h。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈