近年來，隨著材料表面工程學(xué)的快速發(fā)展，越來越多的表面涂層技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中濺射鍍膜工藝因其具有沉積速率快、操控容易、穩(wěn)定性高、可大面積成膜等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于五金裝飾鍍層、電子產(chǎn)品鍍層、汽車及建筑等領(lǐng)域中[1，2]。濺射靶材的性能會(huì)直接影響薄膜的綜合質(zhì)量，因此對(duì)靶材制備工藝的研究尤為重要。
鈦鋁合金具有密度低、耐熱性好、高耐磨和高溫抗氧化性好等性能[3－5]，常常用于刀具、模具等硬質(zhì)合金的涂層。鈦和鋁之間可以形成多種金屬間化合物，導(dǎo)致鈦鋁合金存在加工脆性，尤其當(dāng)鋁元素的原子含量大于50％時(shí)，合金的抗氧化能力降低，合金化時(shí)極易產(chǎn)生氣泡，降低靶材的致密度。這些問題的存在都極大地增加了鈦鋁靶材的制備難度[６，７]，但國(guó)內(nèi)外關(guān)于對(duì)鈦鋁靶材制備工藝的系統(tǒng)研究較少。本文采用熱等靜壓工藝制備鈦鋁合金靶材，重點(diǎn)研究熱等靜壓燒結(jié)溫度(1150~1350℃)對(duì)鈦鋁靶材致密度、晶粒尺寸、硬度等性能的影響，該研究對(duì)后續(xù)鈦鋁靶材制備工藝的發(fā)展起到了一定的指導(dǎo)意義。
1、實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)原材料
采用純度均為99.99％的鈦粉和鋁粉作為原料粉，鈦和鋁的原子比為1∶1，兩者的平均粒徑D50分別為６0μm和80μm。熱等靜壓燒結(jié)過程中選用鋼包套。
1.2 實(shí)驗(yàn)過程
將鈦粉和鋁粉放入Ｖ型混料機(jī)混合均勻，轉(zhuǎn)速80r/min，混料時(shí)間為10ｈ。將混合均勻的鈦鋁粉裝入特制的橡膠包套中先進(jìn)行冷等靜壓，保壓壓力為180MPa，保壓時(shí)間為3ｍｉｎ，得到致密度為52％的鈦鋁素坯，之后將素坯裝入特制的鋼包套中，包套密封前先進(jìn)行抽真空排氣(圖1(ａ))。將排氣完成后的鋼包套放置于熱等靜壓爐中進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為1150℃、1250℃、1350℃，保壓壓力為130MPa，保壓時(shí)間為2ｈ。熱等靜壓結(jié)束后包套(圖1(ｂ))采用機(jī)械切割方法剝離得到鈦鋁靶材。
1.3 材料表征
采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的ＵｌｔｉｍａＩＶ型Ｘ射線衍射儀(XRD)來分析靶材物相。采用美國(guó)ＦＥＩ公司生產(chǎn)的Ｑｕａｎｔａ250ＦＥＧ型掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察靶材微觀形貌。通過ＮａｎｏＭｅａｓｕｒｅｒ軟件分析測(cè)量高分辨率的SEM圖，選取120個(gè)左右晶粒測(cè)量平均值，得到鈦鋁靶材的平均晶粒尺寸。采用日本ＪＥＯＬ公司生產(chǎn)的ＪＸＡ8530Ｆ的電子探針(EPMA)檢測(cè)靶材元素分布狀況。采用上海研潤(rùn)光機(jī)科技公司生產(chǎn)的ＨＶ50Ｚ型硬度計(jì)測(cè)量靶材的維氏硬度，正四棱錐金剛石壓頭，載荷為5kg，加載時(shí)間為15ｓ，每個(gè)樣品測(cè)量?jī)纱危∑淦骄怠２捎冒⒒椎屡潘y(cè)量靶材密度。
2、結(jié)果與討論
2.1 燒結(jié)溫度對(duì)靶材物相的影響
圖2分別為燒結(jié)溫度1150℃、1250℃、1350℃條件下鈦鋁靶材的Ｘ射線衍射圖。由圖可知，三種鈦鋁靶材的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片為６50４28的TiAl衍射峰一致，并沒有其他物相出現(xiàn)，說明燒結(jié)溫度在1150℃以上時(shí)，鈦和鋁兩種物質(zhì)完全形成合金化組織TiAl，熱等靜壓燒結(jié)過程中的高溫高壓條件推動(dòng)了反應(yīng)向合金穩(wěn)定相發(fā)展[8]。
2.2 燒結(jié)溫度對(duì)靶材相對(duì)密度的影響
圖3為不同燒結(jié)溫度下鈦鋁靶材的相對(duì)密度。
由圖可知，在燒結(jié)溫度為1150℃、1250℃、1350℃時(shí)，鈦鋁靶材的相對(duì)密度分別為98.35％、99.７2％和99.80％。由于燒結(jié)溫度1150℃過低，靶材并沒有達(dá)到致密化。當(dāng)燒結(jié)溫度高于1250℃時(shí)，靶材幾乎達(dá)到完全致密。當(dāng)溫度繼續(xù)增加到1350℃，致密度增加不大。致密度較低的靶材在濺射過程中，靶材表面會(huì)產(chǎn)生很多“瘤狀”突起物，這種現(xiàn)象稱之為靶材毒化，靶材“中毒”會(huì)降低鍍層的性能，從而影響刀具模具的使用壽命，同時(shí)密度較低的靶材會(huì)增加鍍膜過程中靶材開裂的概率[9－11]。因此，通過制定合理的工藝參數(shù)提高鈦鋁靶材致密度的研究是十分重要的。
2.3 燒結(jié)溫度對(duì)靶材晶粒尺寸的影響
圖４為不同燒結(jié)溫度下鈦鋁靶材的表面微觀組織圖以及對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸分布圖。由圖可知，燒結(jié)溫度為1150℃、1250℃、1350℃時(shí)靶材的平均晶粒尺寸分別為７1.1７μm、７8.７0μm和8６.89μm。隨著燒結(jié)溫度的提高，靶材的平均晶粒尺寸不斷增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為1150℃時(shí)，材料表面存在大量微小孔洞，導(dǎo)致靶材致密度較低，在該溫度條件下，體積擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散機(jī)制對(duì)燒結(jié)體起到收縮作用，晶粒開始正常生長(zhǎng)，氣孔不斷縮小，但由于燒結(jié)溫度較低，這些氣孔并不能通過物質(zhì)遷移機(jī)制排出體外[12]。當(dāng)燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)，該階段致密化過程基本完成。當(dāng)燒結(jié)溫度繼續(xù)提高至1350℃時(shí)，孔隙數(shù)量的減少會(huì)減弱對(duì)晶界的釘扎作用，晶界的遷移速度加快，開始“自由”運(yùn)動(dòng)，晶界與孔隙脫鉤，致使該階段的燒結(jié)體致密度幾乎保持不變，晶粒尺寸異常長(zhǎng)大[13]，這一機(jī)理同樣解釋了圖2延長(zhǎng)燒結(jié)溫度可以提高靶材致密度的現(xiàn)象[1４]，但是晶粒過大的靶材不僅會(huì)降低薄膜的沉積效率，還會(huì)降低薄膜表面的均勻性，只有燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)才能制備出致密化細(xì)晶的TiAl靶材。
根據(jù)Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程[15]，晶粒生長(zhǎng)速率ｋ如式(1)所示:
式中，ｋ0為常數(shù)，Ｑ為晶粒長(zhǎng)大激活能，Ｒ為氣體常數(shù)(Ｒ＝8.31４Ｊ/ｍｏｌ/Ｋ)，Ｔ為燒結(jié)溫度。通過式(1)得知，晶粒生長(zhǎng)速率與燒結(jié)溫度Ｔ成正比，燒結(jié)溫度促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大主要是由于晶界遷移速率加快。根據(jù)晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程，如式(2)所示:
式中，D為晶粒尺寸，ｔ為燒結(jié)時(shí)間，ｎ為晶粒指數(shù)，取決于燒結(jié)過程中的物質(zhì)輸運(yùn)機(jī)制，晶格擴(kuò)散控制型ｎ＝3，晶界擴(kuò)散控制型ｎ＝４[1６]，通過2.2、2.3節(jié)分析，本實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)下的鈦鋁靶材的晶粒指數(shù)為４。對(duì)式(2)等式兩邊取對(duì)數(shù)得式(3):
式中，D0為初始晶粒尺寸，因?yàn)镈0<<Dｔ，D0可忽略不計(jì)。通過式(3)可以看出，晶粒尺寸和燒結(jié)溫度為線性關(guān)系函數(shù)，分別將晶粒尺寸和燒結(jié)溫度的數(shù)值帶入公式(3)中，通過計(jì)算出直線斜率(圖5)可以得到靶材晶粒長(zhǎng)大激活能為７６.４ＫＪ/ｍｏｌ。
2.４ 燒結(jié)溫度對(duì)靶材硬度的影響
圖６為不同燒結(jié)溫度下鈦鋁靶材的硬度表面壓痕形貌圖，具體測(cè)量值見表1。經(jīng)測(cè)量分析，燒結(jié)溫度為1150℃、1250℃、1350℃時(shí)靶材的平均維氏硬度分別為3７8ＨＶ、399.７ＨＶ、395.2ＨＶ，維氏硬度隨著燒結(jié)溫度的提高先增大后減小。當(dāng)燒結(jié)溫度從1150℃提高至1250℃時(shí)，鈦鋁靶材達(dá)到致密化，維氏硬度大幅度增加。繼續(xù)升高燒結(jié)溫度，出現(xiàn)硬度降低的情況，主要是由于靶材晶粒尺寸異常長(zhǎng)大導(dǎo)致的，晶粒細(xì)化可以有效的提高材料常溫下的硬度[1７]，這一現(xiàn)象也與Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ關(guān)系式相符合[18，19]，靶材過燒降低了其力學(xué)性能。靶材在濺射過程中會(huì)受到高速粒子的轟擊，這就要求靶材要具有良好的力學(xué)性能，硬度高的靶材可以提高靶材的使用壽命和利用率[20－22]。
綜上所述，當(dāng)燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)所制備出的鈦鋁靶材綜合性能優(yōu)良，將該溫度條件下的鈦鋁靶材進(jìn)行電子探針分析(圖７)，可以看出，經(jīng)過1250℃高溫?zé)Y(jié)后，Ｔｉ元素、Ａｌ元素呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，符合靶材應(yīng)用要求。
3、結(jié)論
(1)采用熱等靜壓工藝制備高性能鈦鋁靶材，當(dāng)熱等靜壓燒結(jié)溫度高于1150℃，鈦和鋁完全形成合金化組織TiAl相。
(2)鈦鋁靶材的致密度和晶粒尺寸隨著燒結(jié)溫度的升高而增大，致密度從98.35％提高至99.80％，晶粒尺寸從７1.1７μm增大至8６.89μm。
(3)隨著燒結(jié)溫度的升高，靶材的維氏硬度先增大后減小，在燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)維氏硬度有最大值為399.７ＨＶ，且該溫度條件下制備的靶材元素分布均勻。
參考文獻(xiàn)
[1]陳希，黃蓉，鄔曄.鈦鋁合金濺射鍍膜靶材的研究進(jìn)展[Ｊ].湖南有色金屬，2012，28(1):51－53.
[2]ＨＥＯＫＣ，ＳＯＨＮＹ，ＧＷＡＧＪＳ.ＥｆｆｅｃｔｓｏｆａｎａDDｉｔｉｏｎａｌｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌDｉｎＩＴＯｔｈｉｎｆｉｌｍDｅｐｏｓｉｔｉｏｎｂｙｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ[Ｊ].ＣｅｒａｍｉｃｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，2015，４1(1):６1７－６21.
[3]ＫＩＭＳＷ，ＨＯＮＧＪＫ，ＮＡＹＳ，ｅｔａｌ.DｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆTiAlａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｅｘｃｅｌｌｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎDｏｘｉDａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎDDｅｓｉｇｎ，201４，5４(2):81４－819.
[４]ＳＩＮＡＨ，ＩＹＥＮＧＡＲＳ.ＲｅａｃｔｉｖｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎDｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｕｍｉｎｉDｅｓｐｒｏDｕｃｅDｆｒｏｍｅｌｅｍｅｎｔａｌｐｏｗDｅｒｍｉｘｔｕｒｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎDＣａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ，2015，122(2):1－10.
[5]趙珍珍，方慶，謝玉.一種鈦鋁合金靶材的生產(chǎn)方法:201310088019.1[Ｐ].2013－0７－1７.
[６]張鳳戈，姚偉，唐培新，等.一種鈦鋁合金靶材的粉末冶金制備方法:200７103038６9.3[Ｐ].2008－0７－09.
[７]李勇，王秋林，朱金波，等.粉末冶金制備鈦鋁合金技術(shù)現(xiàn)狀及展望[Ｊ].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，3６(3):７４－７７＋80.
[8]ＧＵＰＴＡＲＫ，ＢＨＡＮＵＰ，ＶＩＪＡＹＡＡ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅａｎDＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎＰｈａｓｅＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎDＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｕｍｉｎｉDｅＯｂｔａｉｎｅDｔｈｒｏｕｇｈＲｅａｃｔｉｏｎＳｙｎｔｈｅｓｉｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎDＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2010，2６(8):６93－７0４.
[9]劉全義，崔子振，謝飛，等.粉末預(yù)處理工藝對(duì)鋁鈦靶材氧含量和鋁基體晶粒尺寸的影響[Ｊ].熱加工工藝，2022，51(1４):38－４0.
[10]ＴＲＺＡＳＫＡＺ，ＢＯＮＮＥＦＯＮＴＧ，ＦＡＮＴＯＺＺＩＧ，ｅｔａｌ.ＣｏMPaｒｉｓｏｎｏｆDｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆａTiAlｐｏｗDｅｒｂｙｓｐａｒｋｐｌａｓｍａｓｉｎｔｅｒｉｎｇａｎDｈｏｔｐｒｅｓｓｉｎｇ[Ｊ].ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，201７，135:1－13.
[11]ＭＥDＶＥDＯＶＳＫＩＥ，ＡＬＶＡＲＥＺＮＡ，ＳＺＥＰＥＳＩＣＪ，ｅｔａｌ.ＡDｖａｎｃｅDｉｎDｉｕｍｔｉｎｏｘｉDｅｃｅｒａｍｉｃｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｔａｒｇｅｔｓ(ｒｏｔａｒｙａｎDｐｌａｎａｒ)ｆｏｒｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｃｏｎDｕｃｔｉｖｅｎａｎｏｓｉｚｅDｆｉｌｍｓ[Ｊ].ＡDｖａｎｃｅｓｉｎＡｐｐｌｉｅDＣｅｒａｍｉｃｓ，201４，112(5):2４3－25６.
[12]黃培云，粉末冶金原理[Ｍ]，北京:冶金工業(yè)出版社，199７:2６9[13]孫志平，張年龍，羅文嚴(yán).熱壓燒結(jié)制備高Ｎｂ－TiAl合金燒結(jié)工藝研究[Ｊ].齊魯工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29(４):４0－４3.
[1４]ＬＩＵＨＷ，ＰＬＵＣＫＮＥＴＴＫＰ.ＴｉｔａｎｉｕｍａｌｕｍｉｎｉDｅ(Ｔｉ－４8Ａｌ)ｐｏｗDｅｒｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｓｉｚｅｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔａｎDｓｉｎｔｅｒｉｎｇ[Ｊ].ＡDｖａｎｃｅDＰｏｗDｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，201７，28(1)，31４–323.
[15]ＲＯＹＳ，ＲＯＹＴＫ，DＡＳD.ＧｒａｉｎｇｒｏｗｔｈｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆＥｒ2Ｏ3DｏｐｅDＺｎＯ－Ｖ2Ｏ5ｂａｓｅDｖａｒｉｓｔｏｒｃｅｒａｍｉｃｓ[Ｊ].ＣｅｒａｍｉｃｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ，2019，４5(18):2４835－2４850.
[1６]邵渭泉，陳沙鷗，李達(dá)，等.α－Ａｌ2Ｏ3燒結(jié)激活能變化趨勢(shì)的研究[Ｊ].材料導(dǎo)報(bào)，200７，21(12):1４5－1４8.
[1７]胡賡祥，蔡珣，材料科學(xué)基礎(chǔ)[Ｍ]，上海:上海交通大學(xué)出版社，2010:.18４－185.
[18]盧金文，趙永慶，葛鵬，等.Ｔｉ－Ｍｏ系鈦合金β晶粒長(zhǎng)大規(guī)律及晶粒尺寸對(duì)硬度的影響[Ｊ].稀有金屬材料與工程，2013，４2(11):22６9－22７3.
[19]曹鵬，芮執(zhí)元，付蓉，等.晶粒尺寸對(duì)γ－TiAl合金力學(xué)性能影響的納米壓痕研究[Ｊ].稀有金屬材料與工程，2021，50(６):2052－20６0.
[20]張俊凱，高品質(zhì)金基合金濺射靶材的開發(fā)與制備[D].東北:東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，201４.
[21]董磊，王晨，劉歡，等.Ｍｇ2＋摻雜Ｌｉ４Ｔｉ5Ｏ12陶瓷靶材的制備及其性能研究[Ｊ].人工晶體學(xué)，2018，４７(02):3４8－353.
[22]ＢＲＯＴＺＵＡ，ＦＥＬＬＩＦ，ＭＡＲＲＡＦ，ｅｔａｌ.ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａTiAl－ｂａｓｅDａｌｌｏｙａｔｒｏｏｍａｎDｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎDＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2018，3４(15):18４７－1853.
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