CN114734048B

CN114734048B - 一种高铬铝合金粉末的制备方法

Info

Publication number: CN114734048B
Application number: CN202210664694.3A
Authority: CN
Inventors: 王新锋; 刘李旭; 姚甜; 向长淑; 苏腾飞; 孙恒超; 肖成桥
Original assignee: Xi'an Sailong Additive Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Sailong Additive Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-14
Filing date: 2022-06-14
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2042-06-14
Also published as: CN114734048A

Abstract

本公开实施例是关于一种高铬铝合金粉末的制备方法。该方法包括：利用热等静压工艺及预设的热等静压工艺参数，将铬粉和铝粉制备成电极棒料；利用等离子旋转电极制粉工艺及预设的PREP工艺参数，将所述电极棒料制备成高铬铝合金粉末。本公开实施例一方面，使电极棒料能承受住高转速下所造成的最大应力而不会发生断裂，且能使铬粉、铝粉能够同时被熔化，克服了由于熔点相差大而不能同时被熔炼的难题；另一方面，制备的高铬铝合金粉末纯度高、杂质含量低、合金化程度高、相含量均匀单一，粉末球形度高，满足了半导体、电子信息、核工业、能源等领域对高性能高铬铝合金粉末的需求。

Description

一种高铬铝合金粉末的制备方法

技术领域

本公开实施例涉及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种高铬铝合金粉末的制备方法。

背景技术

目前，铬铝合金涂层应用较多的为制备刀具表面涂层、卫浴及饰品电镀，以提高其表面硬度及美观效果。但这些行业所应用的铬铝涂层制备技术壁垒较低，以及其对铬铝涂层的性能要求不高，因此其涂层主要使用的是传统熔炼技术制备的铬铝合金，合金组织、纯度等性能都较差。

而在电子信息、核能、能源等领域对于元器件表面涂层及薄膜的性能要求较高。对于铬铝合金，富铝 Al-Cr 合金很容易发生相变，即使成分变化很小，在合金制造过程中，微观结构也难以控制；在高温环境中的CrAl合金涂层，涂层中Al含量较高时会导致涂层在氧化过程中开裂或脱落。Cr 含量为 70 wt% 或更高的富铬固溶体合金因为熔化温度通常超过1600℃，因此被认为是合适的高温材料，而且富铬Cr-Al固溶体合金其微观结构在制造过程中更容易控制。高铬含量的铬铝合金可用在平板显示中电极/BM层溅射镀膜；太阳能电池中阻挡层溅射镀膜；用作制备晶圆制造中的阻挡层以防止导电层金属扩散到晶圆主体材料硅中，同时也用于粘结金属导电层与硅材料；高铬含量的铬铝合金还具有良好的反铁磁性能，可以作为芯片封装的溅射靶材，屏蔽芯片免受外部散射磁场的影响；在核工业领域，被应用于真空离子镀制作燃料包壳（Zr合金）表面涂层，以提高其耐高温水蒸气氧化性能以及耐微动磨碎性能。

相关制备铬铝合金粉末技术中，主要有自蔓延法、雾化法和等离子旋转雾化制粉（Plasma rotating electrode process，PREP），其中自蔓延高温合成后破碎法制备铬铝合金粉末的粒度都较大，相结构比较复杂，而且粉末的纯度较低且为非球形，对于制备高性能的铬铝靶材来说会严重影响其镀膜效果。雾化技术制备的铬铝合金粉末，尤其对于高铬含量的合金粉末，由于铬与铝熔点相差太大，导致二者不能同时被熔炼，在实际应用中很难实现，即使可以熔炼，铝也会有很大的损失，导致合金成分出现很大的偏差。PREP工艺制备铬铝合金粉末过程中，由于高铬含量的铬铝合金的特性，往往会出现电极棒料断裂、制得的粉末粒径过大且球形度较差和粉末出现多种相结果等多种问题。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种高铬铝合金粉末的制备方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种高铬铝合金粉末的制备方法，包括：

利用热等静压工艺及预设的热等静压工艺参数，将铬粉和铝粉制备成电极棒料；

利用等离子旋转电极制粉工艺及预设的PREP工艺参数，将所述电极棒料制备成高铬铝合金粉末；

其中，所述铬粉和所述铝粉的预设纯度均大于或等于99.9%，所述高铬铝合金粉末的质量百分比为：铬粉大于60%、其余均为铝粉。

本公开的一实施例中，所述等离子旋转电极制粉工艺包括以下步骤：

将所述电极棒料设置在等离子旋转电极装置上，按照预设真空度设置雾化室的真空度，并充入惰性气体；

按照预设的PREP工艺参数对所述电极棒料进行处理，使所述电极棒料熔化成液滴，并快速冷凝形成细小的粉末颗粒；

按照需求对所述粉末颗粒进行筛选，并进行包装。

本公开的一实施例中，所述真空室的预设真空度为10^-2~10^-4Pa。

本公开的一实施例中，所述PREP工艺参数中所述等离子旋转电极装置的电流为2000~3000A；

所述PREP工艺参数中所述电极棒料转速为4000~7500r/min。

本公开的一实施例中，所述PREP工艺参数中所述电极棒料端面与等离子枪之间的距离为4~7cm。

本公开的一实施例中，所述PREP工艺参数中所述电极棒料的进给速率为1~2mm/s。

本公开的一实施例中，所述热等静压工艺包括以下步骤：

将预设纯度的所述铬粉和所述铝粉作为合金原料，并按照预设质量百分比配制所述合金原料；

将所述合金原料装入包套内，抽真空并振实；

对振实后的所述包套进行除湿、脱气处理后密封；

按照预设的热等静压工艺参数对密封后的所述包套进行烧结处理；

对烧结处理结束后的所述包套进行处理，得到所述电极棒料。

本公开的一实施例中，所述热等静压工艺参数中的烧结温度为300~500℃。

本公开的一实施例中，所述热等静压工艺参数中的烧结压力为130~170MPa。

本公开的一实施例中，所述热等静压工艺参数中的烧结时间为2.5~4h。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，通过上述高铬铝合金粉末的制备方法，一方面，通过热等静压工艺及预设的热等静压工艺参数、等离子旋转电极工艺及预设的工艺参数相配合，使电极棒料能承受住高转速下所造成的最大应力而不会发生断裂，且能使铬粉、铝粉能够同时被熔化，克服了由于熔点相差大而不能同时被熔炼的难题；另一方面，制备的高铬铝合金粉末纯度高、杂质含量低、合金化程度高、相含量均匀单一，粉末球形度高，满足了半导体、电子信息、核工业、能源等领域对高性能铬铝合金粉末（Wt%，铬大于60%，其余为铝）的需求。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本公开实施例中高铬铝合金粉末的制备方法流程图；

图2示出本公开实施例中热等静压工艺流程图；

图3示出本公开实施例中等离子旋转电极制粉工艺流程图；

图4示出本公开实施例中实施例1的高铬铝合金粉末XRD图；

图5示出本公开实施例中实施例1的高铬铝合金粉末形貌图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种高铬铝合金粉末的制备方法。参考图1中所示，该方法用于制备熔点相差较大的高铬铝合金粉末，进一步的，该方法可以包括：步骤S100~步骤S200。

步骤S100：利用热等静压工艺及预设的热等静压工艺参数，将铬粉和铝粉制备成电极棒料；

步骤S200：利用等离子旋转电极制粉工艺及预设的PREP工艺参数，将所述电极棒料制备成高铬铝合金粉末；

通过上述高铬铝合金粉末的制备方法，一方面，通过热等静压工艺及预设的热等静压工艺参数、等离子旋转电极工艺及预设的工艺参数相配合，使电极棒料能承受住高转速下所造成的最大应力而不会发生断裂，且能使铬粉、铝粉能够同时被熔化，克服了由于熔点相差大而不能同时被熔炼的难题；另一方面，制备的高铬铝合金粉末纯度高、杂质含量低、合金化程度高、相含量均匀单一，粉末球形度高，满足了半导体、电子信息、核工业、能源等领域对高性能高铬铝合金粉末（Wt%，铬大于60%，其余为铝）的需求。

可选的，在一些实施例中，所述等离子旋转电极制粉工艺，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S201：将所述电极棒料设置在等离子旋转电极装置上，按照预设真空度设置雾化室的真空度，并充入惰性气体；

步骤S202：按照预设的PREP工艺参数对所述电极棒料进行处理，使所述电极棒料熔化成液滴，并快速冷凝形成细小的粉末颗粒；

步骤S203：按照需求对所述粉末颗粒进行筛选，并进行包装。

采用等离子旋转电极制粉工艺，该工艺具有高能量密度，能量转化率高，在制粉过程中，电极棒料前端在雾化室实现熔融与粉末形成同时进行，可将熔点相差很大的铬与铝瞬时间同时熔融并形成细小均匀的液滴，液滴被甩出后冷却成为球形粉末颗粒，再根据粒度进行筛选后得到所需要的高铬铝合金粉末，制备出的高铬铝合金粉末纯度高、铬含量高、相成分均匀单一，粒度细小，克服了铬粉、铝粉由于熔点相差大而不能同时被熔炼的难题。

可选的，在一些实施例中，所述真空室的预设真空度为10^-2~10^-4Pa。例如真空室的真空度可以为10^-2 Pa 、10^-3 Pa 、10^-4Pa等等。

可选的，在一些实施例中，所述PREP工艺参数中所述电极棒料转速为4000~7500r/min，例如可以为4000r/min、5000r/min、6000r/min、7000r/min、7500r/min等等。在等离子旋转电极制粉过程中，电极棒料通常的转速可以达到20000r/min以上，当离心力大于表面张力时液滴会被甩出，因此增大电极棒料旋转速度或增大电极棒料直径可以使粉末粒径变小；但是由于高铬含量的高铬铝合金电极棒料往往比较脆，在制备高铬铝合金的过程中，当电极棒料的转速过大（＞7500r/min）时，不能承受住过高转速下所造成的最大应力，从而会使电极棒料断裂；当电极棒料的转速过小（＜4000r/min）时，制得的粉末粒径过大且球形度较差，因此制备高铬铝合金粉末的电极棒料转速选用4000-7500r/min，不仅能保证在离心力作用下液滴甩出凝固后的粒径尽可能的小，而且能保证电极棒料能够承受高转速下所造成的最大离心力。

可选的，在一些实施例中，所述PREP工艺参数中所述等离子旋转电极装置的电流为2000~3000A，例如可以为2000A、2200A、2500A、3000A等等。在其他参数一定时，等离子旋转电极制粉工艺中，等离子枪工作电流与等离子弧所产生的热量成正比，例如当工作电流为1400~1500A时可实现熔点为1200~1600℃电极棒料的熔化，当工作电流为3500A时可实现熔点为2996℃电极棒料的熔化。对于高铬铝合金电极棒料的PREP制粉工艺，当等离子弧的电流过大（＞3000A）时，电子枪的有效功率会随之变大，此时低熔点的铝会部分烧蚀，而且导致粉末的过热度过高，从而使得大颗粒粉体表面粘附大量卫星粉或空心粉，最终严重影响粉末的品质；当等离子弧的电流过小（＜2000A）时，电子枪的有效功率会随之变小，此时会导致粉末出现多种相结果，这与我们期望的单相粉末相悖（本公开制备的高铬铝合金粉末为AlCr2单相）。基于此，结合制备高铬铝合金粉末的电极棒料转速选用4000-7500r/min，等离子电流控制在2000~3000A，既可以实现瞬时熔化熔点相差很大的铬和铝，避免了在铬还没被熔化时，铝已经被气化的情况发生，又可以制备高品质的高铬铝合金粉末。

可选的，在一些实施例中，所述PREP工艺参数中所述电极棒料端面与等离子枪之间的距离为4~7cm，例如电极棒料端面与等离子枪之间的距离可以为4 cm、5 cm、6 cm、7 cm等等，在等离子旋转电极制粉过程中，等离子枪与电极棒料间距离越小，等离子弧的电流就越大，等离子束的有效功率就越高。在制备高铬铝合金粉末的时候，等离子枪与电极棒料间的距离不宜太小，也不能太大。距离太大会造成引弧困难，距离太小，会造成等离子电流过大，从而引起铝部分烧蚀或者出现卫星粉。因此高铬铝合金电极棒料断面与等离子枪之间的距离保持在4~7cm之间较为合适。

可选的，在一些实施例中，所述PREP工艺参数中所述电极棒料的进给速率为1~2mm/s，电极棒料的进给速率可以为1 mm/s 、1.5mm/s 、2mm/s等等。电极棒料端面的进给速率应与电极棒料的熔化速率相同，若进给速率大于熔化速率，会造成熔化不完全从而产生片状粉末；若进给速率小于熔化速率，则会出现断弧现象。结合等离子弧的电流大小（2000~3000A），高铬铝合金粉末电极棒料端面与等离子枪之间的距离为4~7cm，因此电极棒料的进给速率为1~2mm/s。

可选的，在一些实施例中，所述热等静压工艺，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S101：将预设纯度的所述铬粉和所述铝粉作为合金原料，并按照预设质量百分比配制所述合金原料；

步骤S102：将所述合金原料装入包套内，抽真空并振实；

步骤S103：对振实后的所述包套进行除湿、脱气处理后密封；

步骤S104：按照预设的热等静压工艺参数对密封后的所述包套进行烧结处理；

步骤S105：对烧结处理结束后的所述包套进行处理，得到所述电极棒料。

采用热等静压工艺，能够制备出相结构均匀单一且晶粒尺寸细小的高铬铝合金坯锭，热等静压后的合金坯锭具有较好的强韧性以保证能够加工出要求尺寸的电极棒料用以制备粉末。

可选的，在一些实施例中，所述热等静压工艺参数中的烧结温度为300~500℃，例如可以为300℃、350℃、400℃、500℃等等。采用热等静压工艺电极棒料时，若热等静压的温度过大（＞500℃）时，会生产部分铬-铝合金相，产生金属间化合物，从而使高铬铝电极棒料强韧性下降，不能保证可以加工出要求尺寸的电极棒料；当热等静压的温度过低（＜300℃）时，铬与铝不能很好的粘结在一起，制作出来的电极棒料强韧性较低，在进行制粉时容易断裂；因此，采用本实施例中烧结温度为300~500℃，热等静压后的合金电极棒料相结构均匀单一且较好的强韧性，能够加工出要求尺寸的电极棒料用以制备粉末。

可选的，在一些实施例中，所述热等静压工艺参数中的烧结压力为130~170Mpa，例如可以为130Mpa、135Mpa、140Mpa、150Mpa、160Mpa、170Mpa等等。在热等静压烧结处理时，较高的烧结压力，有利于粉末颗粒之间挤压，降低或消除粉末颗粒之间的间隙。但若烧结压力过低，影响电极棒料组织致密度，电极棒料孔隙较多；烧结压力过高，对致密度的提高作用很小，但对热等静压机炉膛密封圈的寿命影响很多，增加了热等静压的危险程度及生产成本，因此，采用本公开实施例中烧结压力为130～170MPa，此压力下的电极棒料组织致密度较高，且可避免烧结压力过高或过低带来的上述问题。

可选的，在一些实施例中，所述热等静压工艺参数中的烧结时间为2.5~4h，例如可以为2.5h、3h、4h等等。在烧结温度和烧结压力确定的前提下，得到相应的烧结时间为2.5~4h。热等静压的烧结时间不宜过长，若时间过长会促使晶粒尺寸的长大，若过短电极棒料的强韧性会不足，在制粉过程在会出现断裂、崩碎等情况，不利于制备粉末。因此，本公开实施例采用烧结时间为2.5~4h，热等静压后的合金电极棒料强韧性足且晶粒尺寸合适。

本公开实施例技术方案不仅仅只是针对高铬铝合金粉末的制备，还可以制备其他熔点相差较大的合金粉末。

下面从实施例1、2对本公开实施例做进一步的说明。

实施例1

一种高铬铝合金粉末的制备方法，其步骤如下：

步骤一、称料混粉：选用高纯铬粉和铝粉，按照铬粉和铝粉质量百分比90%：10%进行配比混粉，并使用V型混料机进行混粉。

步骤二、将上述混合完的粉末装入低碳钢包套内，抽真空并振实；

步骤三、将上述包套装入抽气炉内，进行除湿、脱气处理，将脱气处理后的包套封焊；

步骤四、将上述脱气及封焊后的包套装入热等静压炉内，热等静压最高烧结温度500℃，最高压力为150 MPa，高温高压烧结时间为4小时；

步骤五、将上述热等静压后的包套进行机械加工成电极棒料，电极棒料一端旋入旋转驱动机构连接头内，使雾化室的真空度达到5*10^-3Pa，并充入氩气。

步骤六、开启旋转驱动机构，设置合金棒转速为5000r/min，电流为2600A，电极棒料端面与等离子枪之间的距离为5cm，进给速率1mm/s。

步骤七、高铬铝合金电极棒料在等离子弧热源的加热下熔化成液体，在快速冷凝的过程中形成细小的粉末颗粒，再经过要求筛选后进行包装。得到的高铬铝合金粉末XRD如图4所示，高铬铝合金粉末相含量均匀单一；得到的高铬铝合金粉末形貌图如图5所示，高铬铝合金粉末的球形度较高。

实施例2

一种高铬铝合金粉末的制备方法，其步骤如下：

步骤一、称料混粉：选用高纯铬粉和铝粉，按照铬粉和铝粉质量百分比80%：20%进行配比混粉，并使用V型混料机进行混粉。

步骤四、将上述脱气及封焊后的包套装入热等静压炉内，热等静压最高烧结温度450℃，最高压力为130 MPa，高温高压烧结时间为3小时；

步骤六、开启旋转驱动机构，设置合金棒转速为6000r/min，电流为2400A，电极棒料端面与等离子枪之间的距离为5cm，进给速率1mm/s。

步骤七、高速合金电极棒料在等离子弧热源的加热下熔化成液体，在快速冷凝的过程中形成细小的粉末颗粒，再经过要求筛选后进行包装。

表1 实施例高铬铝合金粉末性能检测结果

实施例	纯度（%）	氧含量（ppm）
			实施例1	99.9	460
实施例2	99.9	520

表1为实施例1和实施例2高铬铝合金粉末性能检测结果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims

1.一种高铬铝合金粉末的制备方法，其特征在于，该方法包括：

将预设纯度的铬粉和铝粉作为合金原料，并按照预设质量百分比配制所述合金原料；

将所述合金原料装入包套内，抽真空并振实；

对振实后的所述包套进行除湿、脱气处理后密封；

按照热等静压工艺参数对密封后的所述包套进行烧结处理；

对烧结处理结束后的所述包套进行处理，得到电极棒料；

按照PREP工艺参数对所述电极棒料进行处理，使所述电极棒料熔化成液滴，并快速冷凝形成细小的粉末颗粒；

按照需求对所述粉末颗粒进行筛选，并进行包装；

其中，所述铬粉和所述铝粉的预设纯度均大于或等于99.9%，所述高铬铝合金粉末的质量百分比为：铬粉大于60%、其余均为铝粉，所述热等静压工艺参数中的烧结温度为300~500℃、烧结压力为130~170MPa、烧结时间为2.5~4h，所述PREP工艺参数中所述雾化室的预设真空度为10^-2~10^-4Pa、所述等离子旋转电极装置的电流为2000~3000A、所述电极棒料的转速为4000~7500r/min、所述电极棒料端面与等离子枪之间的距离为4~7cm、所述电极棒料的进给速率为1~2mm/s。