一种AlZr复合靶材及其制备方法和应用技术

本申请涉及粉末冶金技术领域的一种AlZr复合靶材及其制备方法和应用。所述AlZr复合靶材为双层结构，所述双层结构由靶材上层和靶材底层通过冶金结合而成，且所述靶材上层的材料为AlZr，靶材底层的材料为TiAl。本申请所提供的AlZr复合靶材为双层结构，通过引入材料为TiAl的靶材底层，与单层AlZr靶材相比，双层结构的AlZr复合靶材在热等静压时Zr和Al放热量相对减少，锭坯熔化风险降低，因此靶材Zr含量可进一步提高，Zr元素的含量最高可达40 at.%。同时本申请所提供的AlZr复合靶材相对密度高，靶材成分和晶粒尺寸分布均匀，因此能较好地应用在制备用于刀具和模具的硬质涂层中，应用前景良好。景良好。景良好。

【技术实现步骤摘要】
一种AlZr复合靶材及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及粉末冶金
，尤其是涉及一种AlZr复合靶材及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]硬质涂层主要应用于刀具和模具镀膜。镀膜刀具的使用，可以实现高进刀深度、高走刀速度、高切削精度和硬切削，大幅度提高加工质量和效率。镀膜模具的使用可以在大大提高模具使用寿命的同时，降低产品表面粗糙度，提高产品质量。目前获得硬质涂层的主要方式包括化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition 简称CVD）和物理气相沉积（Physical Vapor Deposition简称PVD）。CVD是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生化学反应生成固态沉积物的过程，PVD是用物理的方法（如蒸发、溅射等）使镀膜材料气化，在基体表面沉积成膜的方法。与CVD相比，PVD具有沉积温度低、沉积速度快、设备结构简单、无污染等优点，近年来发展迅速，在硬质涂层领域应用更为广泛。
[0003]常规的PVD涂层有TiN、CrN、TiAlN、CrAlN等，随着工业技术的升级进步，对涂层性能也不断提出更高的要求，涂层逐渐向多元化发展，通过向常规涂层中掺杂特定元素，包括过渡族金属（如Hf、Zr、Nb、V、Ta、W）和非金属（如 Si、B、C），以及稀土元素（如 Y、Ce、La）等，来进一步提升涂层某些方面的性能，例如硬度、韧性、红硬性等，即针对不同工况研发出专用涂层。
[0004]掺杂Zr元素可以提高涂层的硬度、耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性，对改善涂层使用效果具有重要作用。但是Zr元素活泼，采用粉末冶金方法制备含Zr靶材具有一定难度，Zr粉混粉时易燃烧爆炸，通常采用含Zr二元合金粉（例如TiZr或AlZr）代替Zr粉，但制备二元合金粉需要专用设备，这会增加靶材的生产成本，并且由于引入其他元素，合金粉的适用性要低于纯元素粉末。另外，由于Zr和Al会发生反应，制备含锆铝基靶材时，Zr含量也不能太高（一般＜20at.% ），否则会在热等静压时Zr和Al反应放热量大，锭坯熔化导致靶材制备失败。因此，含锆铝基靶材的制备工艺还有待进一步提高。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的不足，本申请提供一种AlZr复合靶材及其制备方法，该靶材在制备的过程中直接以Zr粉为制备原料，与使用合金粉相比，靶材制备成本降低，靶材成分设计更方便，制备的靶材成分、晶粒尺寸分布均匀，且相对密度高；同时该靶材为双层结构，靶材中Zr含量可进一步提高，且双层靶材利用率更高，节约了靶材的使用成本。
[0006]为此，本申请第一方面提供了一种AlZr复合靶材，所述AlZr复合靶材为双层结构，所述双层结构由靶材上层和靶材底层通过冶金结合而成，且所述靶材上层的材料为AlZr，靶材底层的材料为TiAl。
[0007]本申请中，所述AlZr复合靶材为双层结构（结构示意图如图1所以），通过引入材料为TiAl的靶材底层，与单层AlZr靶材相比，双层结构的AlZr复合靶材在热等静压时Zr和Al
放热量相对减少，锭坯熔化风险降低，因此靶材Zr含量可进一步提高，Zr元素的含量最高可达40 at.%。同时双层靶材利用率更高，节约了靶材的使用成本。
[0008]在一些实施方式中，所述靶材上层的材料中Al元素的含量为60~99at.%，Zr元素的含量为1~40at.%。
[0009]在一些具体实施方式中，所述靶材上层的材料中Al元素的含量为95at.%，Zr元素的含量为5at.%；或者Al元素的含量为80at.%，Zr元素的含量为20at.%；或者Al元素的含量为60at.%，Zr元素的含量为40at.%。
[0010]本申请中所述靶材上层的材料中Al元素和Zr元素的含量可根据具体的需求进行配制，其中Zr元素的含量最高可达40 at.%，使得利用该靶材制备的掺杂Zr元素的硬质涂层具有更好的硬度、耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性，改善了涂层使用效果。
[0011]在一些实施方式中，所述靶材底层的材料中Al元素的含量为20~80at.%，Ti元素的含量为20~80at.%。
[0012]本申请通过采用上述组成的靶材底层的材料，使得靶材底层的材料中Al元素的含量最高不超过80 at.%，这样交替放置在包套中的AlZr锭坯和TiAl锭坯在后续热等静压处理过程中，由于底层的材料中Al元素的含量不高，使得Zr和Al放热量相对减少，进而降低了锭坯熔化的风险，且可使靶材中Zr含量提高到20at.%以上。
[0013]在一些优选的实施方式中，所述靶材底层的材料中Al元素的含量为60~70at.%，Ti元素的含量为30~40at.%。
[0014]本申请通过优化靶材底层的材料中Al元素和Ti元素的含量，使得锭坯熔化的风险更低，且双层靶材的利用率更高，节约了靶材的使用成本。
[0015]在一些实施方式中，所述靶材上层的材料和所述靶材底层的材料均通过粉末冶金方法进行制备；所述靶材上层的材料的制备原料为第一Al粉和Zr粉，所述靶材底层的材料的制备原料为第二Al粉和Ti粉，且所述第一Al粉、Zr粉、第二Al粉和Ti粉的粒度各自独立地为200~600目。
[0016]本申请中所述靶材上层的材料和所述靶材底层的材料均可以通过粉末冶金方法进行制备，靶材上层和靶材底层之间结合紧密，且制备过程中可以直接以Zr粉为制备原料，制备方式简单，降低了靶材的制备成本。同时制备的靶材相对密度高，相对密度为99%以上，晶粒尺寸分布均匀，平均晶粒尺寸＜60μm。
[0017]进一步地，本申请通过将制备原料中第一Al粉、Zr粉、第二Al粉和Ti粉的粒度控制在200~600目能够进一步提升制得的AlZr复合靶材的综合性能。若制备原料的粉末粒度过大，粉末的流动性好，会导致制备的AlZr复合靶材出现偏析现象，且晶粒尺寸不均匀，进而会导致利用该靶材镀膜时形成的涂层表面液滴、孔洞等缺陷增多。若制备原料的粉末粒度过细，粉末的流动性差，易发生团聚，同时粉末中的杂质含量也会提升，同样会降低制得的AlZr复合靶材的性能。
[0018]在一些优选的实施方式中，所述第一Al粉、Zr粉、第二Al粉和Ti粉的粒度均为325
‑
500目。
[0019]本申请中，所述第一Al粉和第二Al粉的组成相同，均为Al粉。第一Al粉和第二Al粉仅仅是为了区分该Al粉用于制备靶材上层的材料或靶材底层的材料。
[0020]本申请第二方面提供了一种如本申请第一方面所述的AlZr复合靶材的制备方法，
所述方法包括以下步骤：S1，将第一Al粉和Zr粉混合，制得AlZr合金粉；将第二Al粉和Ti粉混合，制得TiAl合金粉；S2，将所述AlZr合金粉和TiAl合金粉分别装入模具中压制成型，制得AlZr压坯和TiAl压坯；S3，将所述AlZr压坯和TiAl压坯交替放入包套后进行真空加热脱气，获得脱气后的锭坯；S4，对所述脱气后的锭坯进行预烧结处理，获得预烧结后的锭坯；S5，对所述预烧结后的锭坯进行热等静压处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AlZr复合靶材，其特征在于，所述AlZr复合靶材为双层结构，所述双层结构由靶材上层和靶材底层通过冶金结合而成，且所述靶材上层的材料为AlZr，靶材底层的材料为TiAl。2.根据权利要求1所述的AlZr复合靶材，其特征在于，所述靶材上层的材料中Al元素的含量为60~99at.%，Zr元素的含量为1~40at.%。3.根据权利要求1或2所述的AlZr复合靶材，其特征在于，所述靶材底层的材料中Al元素的含量为20~80at.%，Ti元素的含量为20~80at.%。4.根据权利要求1或2所述的AlZr复合靶材，其特征在于，所述靶材上层的材料和所述靶材底层的材料均通过粉末冶金方法进行制备；所述靶材上层的材料的制备原料为第一Al粉和Zr粉，所述靶材底层的材料的制备原料为第二Al粉和Ti粉，且所述第一Al粉、Zr粉、第二Al粉和Ti粉的粒度各自独立地为200~600目。5.一种如权利要求1
‑
4中任意一项所述的AlZr复合靶材的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1，将第一Al粉和Zr粉混合，制得AlZr合金粉；将第二Al粉和Ti粉混合，制得TiAl合金粉；S2，将所述AlZr合金粉和TiAl合金粉分别装入模具中压制成型，制得AlZr压坯和TiAl压坯；S3，将所述AlZr压坯和TiA...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凤戈，孟晓亭，魏铁峰，施政，张欠男，岳万祥，张学华，
申请(专利权)人：苏州六九新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：