超级合金溅射靶制造技术

本发明专利技术包括超级合金靶，其中该超级合金靶具有随机晶粒取向的多晶结构，该结构中的平均晶粒尺寸小于20μm，并且该结构中的孔隙率小于10％。此外，本发明专利技术包括通过粉末冶金生产制造超级合金靶的方法，其中所述粉末冶金生产从超级合金的合金粉末开始并且包括合金粉末的放电等离子体烧结(SPS)步骤。

Super alloy sputtering target

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超级合金溅射靶
本专利技术涉及超级合金(SA)材料领域，尤其涉及根据权利要求1所述的超级合金溅射靶和根据权利要求11所述的通过粉末冶金生产制造超级合金靶的方法.技术背景超级合金展现出若干关键特性：优异的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性和抗腐蚀性或抗氧化性.晶体结构通常是面心立方奥氏体.此类合金的实例是哈斯特洛伊合金(Hastelloy)、因科内尔合金(Inconel)、瓦斯帕洛伊合金(Waspaloy)、Rene合金、海恩斯(Haynes)合金、因科洛伊合金(Incoloy)、MP98T、TMS合金和CMSX单晶合金。超级合金通过固溶强化而发展高温强度.重要的强化机制是弥散强化，其形成第二相沉淀物，例如γ′和碳化物。由诸如铝和铬之类的元素提供抗氧化性或抗腐蚀性。基本上存在两种类型的超级合金，一种是钴基超级合金，其以钴作为主要金属组分，并以例如C、Cr、W、Ni、Ti、Al、Ir和Ta作为合金元素，另一种且直到今天最重要的类别是镍基超级合金，其以镍作为主要金属组分，并以例如Cr、Fe、Co、Mo、W、Ta、Al、Ti、Zr、Nb、Re、Y、V、C、B或Hf仅作为与该超级合金组一起使用的合金添加剂的一些实例.本专利技术的一个焦点是在总体上，且尤其针对诸如用于航空和工业燃气轮机(IGT)应用的高压和低压涡轮组件之类的应用来改进超级合金的热性能和磨损性能，由此已经用诸如PWA1483和CM247-DS之类的镍基超级合金进行了若干成功的实验。进一步地，基于铝化物的合金例如钛铝基超级合金(比如γ-TiAl)或形成高温和高耐磨合金的另外铝化物在此理解为超级合金组合物，所述另外铝化物包括Ni-铝化物，例如NiAl(也称为雷尼镍)或NiAl3；Fe-铝化物；Hf-铝化物；Cr-铝化物；Nb-铝化物，例如Nb3Al或NbAl3；Ta-铝化物，例如Ta3Al或TaAl3；Pt-铝化物；Zr-铝化物等。放电等离子体烧结(SPS)是粉末冶金制造方法，由此优选在真空下在例如两个石墨冲头之间的石墨模具中对粉末组合物加压，并且同时在两个冲头之间施加DC电流或任选的脉冲DC电流以辅助待制造的工件(在本案中为靶)的成形过程。从而，在导电样品(比如超级合金)的情况下，DC电流或脉冲DC电流直接通过石墨模具以及粉末压块。因此，与常规的热压相反，热量的产生是内部的，在常规的热压中，由外部加热元件提供热量.这导致在与常规烧结技术相比更低的烧结温度下实现接近理论密度，并且促进非常高的加热或冷却速率(高达1000K/min)，因此烧结过程通常非常快(在几分钟内)。该过程的一般速度确保其具有使具有纳米尺寸或纳米结构的粉末致密化的潜力，同时避免伴随标准致密化途径的粗化。作为实例，对于此类程序，强度高达1500A且低电压为25V的一系列3ms直流电流脉冲可以直接通过粉末样品和压制工具。对于在高温下以及在氧化和腐蚀环境中使用的材料的研究是正在进行的针对飞行器、燃气轮机和内燃机应用的努力.尽管最终的利用不同并且在设计和尺寸方面存在不同，但这些工业的趋势正朝向相同的目标，该目标是发动机效率的持续改进，以降低燃料消耗而且符合关于CO2排放的更严格规定。这意味着在较高温度下运行发动机，因此随之而来增加了对在涡轮发动机的不同部分处，在恶劣环境中操作的更坚固、稳定和耐久的基础材料的需求.即使使用最先进的材料(例如超级合金或复合材料)，在通过提高在高操作温度下的抗氧化性、耐磨性、耐侵蚀性和耐腐蚀性来改进组件的寿命的情况下，也不能绕过涂覆技术。尽管事实上好几十年前引入的涂覆技术已经得到充分确立，并且通过使用新的方法和新的涂覆材料而被不断改进，但是在发动机组件上产生的涂层系统要求增加的复杂性。因此，例如层之间的相互作用、表面制备方法、热处理和扩散问题变得越来越重要。此外，由于这些现有技术的限制和不能提供所需的特性，下一代发动机的要求对于这些现有技术来说是相当有挑战性的。燃气轮机中的典型涂层系统由若干层制成，通常由粘合涂层、热生长氧化物(层)和顶部陶瓷层组成.通常通过针对PtAl的扩散工艺、电子束物理气相沉积(EB-PVD)或针对MCrAlY的低压等离子体喷涂(LPPS)来产生用于保护涡轮不被氧化的粘合涂层。粘合涂层和顶部陶瓷层形成所谓的热障涂层(TBC)。顶部陶瓷涂层通过大气等离子体喷涂(APS)作为多孔涂层而产生或通过EB-PVD作为柱状结构涂层而产生.粘合涂层的设计是有挑战性的，因为它必须实现两种复杂的界面：一种针对超级合金基底，以保证宽温度范围的机械稳定性，另一种针对多孔氧化物，以提供优异的氧气屏障。这不仅意味着粘合涂层的智能设计，而且在涂层系统(叠层(layerstack))的制造中还要求高再现性。公开内容和实施例因此，目的在于通过避免现有技术方法的缺点来改进并简化超级合金的已知涂覆工艺，所述缺点是例如使用昂贵的涂覆材料(比如PtAl)、以及如果必须施加由具有不同蒸气压的元素组成的涂层，则复杂且难以操作的工艺，例如EB-PVD。另一个目的在于在总体性能方面改进现有涂层，例如克服现有技术涂层系统的局限性和无能.因此，一个目的在于公开涂覆方法，其包括以下步骤：-在PVD涂覆单元中提供超级合金(SA)基底；-提供超级合金(SA)靶作为涂覆单元的电弧蒸发源的阴极；-向基底提供基底偏压；-从超级合金靶通过真空电弧沉积在基底的表面上沉积超级合金的界面层(IF-1)；-向所述涂覆单元供应(provideasupplyof)含氧反应性气体；-通过真空电弧沉积来沉积相同超级合金或不同金属组成的过渡层(TL)，由此通过改变工艺气氛中的反应性气体的分压使该层的氧含量从(IF-1)朝向表面变化，例如通过提高和/或改变反应性气体的分压从(IF-1)朝向表面增加该层的氧含量；-如同沉积过渡层(TL)的情况，在含有更高浓度的反应性气体的工艺气氛中，通过真空电弧沉积，在过渡层之后沉积屏障层(IF-2)，该屏障层包含比过渡层内更高量的超级合金氧化物或与过渡层内不同的金属氧化物组成.过渡层内的氧含量的任何变化可通过逐步或渐进(ramp-wise)增加/改变含氧反应性气体的流量和/或通过改变电弧源的功率来执行。通常氧气(O2)气体将用作反应性气体，然而，可以使用任何其它挥发性含氧化合物，如臭氧(O3)或其它.此类涂覆工艺可通过使用具有与超级合金基本相同组成的超级合金靶来执行。从而，根据待涂覆的超级合金的组成选择用于靶生产的粉末组成，以生产具有与超级合金本身基本相同的组成的靶。在本案中，对于靶(如通过SPS或任何其它粉末冶金方法生产的)，“基本相同的组成”表示由于制造和/或例如EDX测量效应，构成粉末混合物的大约9％或更多的重量百分比的主要元素(以PWA1483作为实例，比如Ni、Co和Cr)相对于原始粉末组成的差异不大于±20％，优选不大于±10％。类似地适用于与反应性或非反应性工艺一起使用的靶，其中对于单一主要组分，与原始粉末组成的差异可稍高.这同样适用于术语“与界面层(IF-1)的组成基本相同的组成”的含义.尤其，Ni粉末、Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.超级合金靶，其中：/n-所述超级合金靶具有随机晶粒取向的多晶结构，/n-所述结构中的平均晶粒尺寸小于20μm，和/n-所述结构中的孔隙率小于10％。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170421 CH 00534/171.超级合金靶，其中：
-所述超级合金靶具有随机晶粒取向的多晶结构，
-所述结构中的平均晶粒尺寸小于20μm，和
-所述结构中的孔隙率小于10％。


2.根据权利要求1所述的超级合金靶，其特征在于，所述超级合金是以钴作为主要金属组分的钴基超级合金。


3.根据权利要求2所述的超级合金靶，其特征在于，所述钴基超级合金包含C、Cr、W、Ni、Ti、Al、Ir和Ta中的至少一种元素作为合金元素。


4.根据权利要求1所述的超级合金靶，其特征在于，所述超级合金是以镍作为主要金属组分的镍基超级合金。


5.根据权利要求4所述的超级合金靶，其特征在于，所述镍基超级合金包含Cr、Fe、Co、Mo、W、Ta、Al、Ti、Zr、Nb、Re、Y、V、C、B和Hf中的至少一种元素作为合金元素。


6.根据权利要求1所述的超级合金靶，其特征在于，所述超级合金是基于铝化物的合金。


7.根据权利要求6所述的超级合金靶，其特征在于，所述是基于铝化物的超级合金是钛铝基超级合金、Ni-铝化物、Fe-铝化物、Hf-铝化物、Cr-铝化物、Nb-铝化物、Ta-铝化物、Pt-铝化物或Zr-铝化物。


8.根据权利要求1-7之一所述的超级合金靶，其特征在于，就结晶学一致性和外延生长而言，所述超级合金靶主要具有同一种晶体结构。


9.根据权利要求8所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·波尔西克，J·拉姆，
申请(专利权)人：普兰西复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE