CN116855902B - 一种低铝含量钛基靶材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及靶材制造领域的一种低铝含量钛基靶材及其制备方法，其包括以下步骤将Al粉、Ti粉、Me粉按比例进行机械混合形成混合粉体，所述混合粉体中Al粉的含量为1‑30 at%，Ti粉的含量为70‑99%，Me粉的含量为0‑20at%；将所述混合粉体装入包套，进行两次热等静压成型，其中，所述第一热等静压成型处理的热处理温度为T1,所述第二热等静压成型处理的热处理温度为T2,且满足：T2‑T1=250~800℃。本申请具有提升铝钛基靶材的密度的同时，降低靶材的制备成本的效果。
Description
技术领域
本申请涉及靶材制造的领域，尤其是涉及一种低铝含量钛基靶材及其制备方法。
背景技术
随着工业材料、机床性能的提升,对机床或设备设置的刀具的切削要求也随之提高，为此开发了涂层刀具，以满足更高的切削要求。涂层刀具是通过用化学或物理方法在刀具表面涂覆一层性能优异的金属化合物,以赋予刀具硬度高、耐摩擦磨损、传热系数小等新特性,提高了刀具在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的可靠性,延长了刀具的使用寿命。
目前，涂层刀具常用的涂层为TiAlN涂层，TiAlN涂层能够使得刀具的纳米硬度高达37GPa,氧化温度提高到800℃,与钢的摩擦系数也有所降低。TiAlN涂层还可以用于手机、手表、眼镜和一些装饰品等，以保持较持久的光亮、深受客户的喜爱。
获得TiAlN涂层的主要方式为物理气相沉积(PVD)和化学气象沉积(CVD)两种方式。在PVD镀膜技术制备TiAlN涂层的过程中，是以靶材作为直接原材料，其质量的高低直接影响着最终涂层的性能。
其中，靶材的密度性能不仅影响溅射镀膜工艺中的溅射速率，还影响着薄膜的电学和光学性能，靶材密度越高，薄膜的性能越好。目前，大部分用于制备TiAlN涂层的靶材中Al含量都在30％以上，以Al作为基体，通过单质粉末混合在较低的温度(400-500℃)下进行热等静压(HIP)，最终获得密度大于99％的靶材块体材料。
而对于靶材而言，在Ti含量越高时，PVD镀膜技术利用靶材在待镀体上形成的薄膜的电学和光学性能更好。但当靶材中Al含量低于30at％时，靶材中的Ti相当于基体，在相同的HIP温度下无法成型获得高密度(99％)的靶材，需要进一步提升HIP温度来解决此问题。而由于Al熔点相对较低，提升HIP温度容易造成Al粉和包套熔化，且在温度高于500℃时Al会和Ti发生合金化反应放出热量，会进一步引起靶材中Al和包套熔化而导致靶材难以成型。
为了解决在制备高密度的低铝量靶材材料时，因提高HIP温度导致Al和包套熔化而使得靶材难以成型的问题，目前有现用技术提出先采用熔炼制备TiAl合金，再用雾化制粉的方式制备TiAl合金粉，以TiAl合金粉作为靶材中Al元素的原材料，使得Al不易因温度过高发生熔化而流动，以能够通过粉末冶金高温成型的方法进行高密度靶材的制备。但上述专利中熔炼制备TiAl合金、以及雾化制粉制得TiAl合金粉所涉及的工艺相对比较复杂，成本较高，量产较为困难。
发明内容
为了提升铝钛基靶材的密度的同时，能够降低靶材的制备成本，本申请提供一种低铝含量钛基靶材及其制备方法。
本申请提供的一种低铝含量钛基靶材及其制备方法采用如下的技术方案：
一种低铝含量钛基靶材及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将Al粉、Ti粉、Me粉按比例进行机械混合形成混合粉体，所述混合粉体中Al粉的含量为1-30at％，Ti粉的含量为70-99％，Me粉的含量为0-20at％；
将所述粉体装入包套，进行两次热等静压成型，其中，所述第一次热等静压成型处理的热处理温度为T1,所述第二次热等静压成型处理的热处理温度为T2,且满足：T2-T1＝250～800℃。
当靶材中Al含量低于30at％时，靶材中的Ti相当于基体，在相同的HIP温度下无法成型获得高密度(99％)的靶材，需要进一步提升HIP温度来解决此问题。而Al的熔点较低，且热等静压处理过程中温度较高会使得Ti和Al会发生合金化反应而放出热量，高温热等静压处理的高热量以及合金化放出的热量会使得Al熔化，难以得到高密度的靶材。
本申请通过采用上述技术方案，将Al粉、Ti粉、Me粉的混合粉体装入包套后进行两次热等静压成型，由于T2-T1＝250～800℃，第一次热等静压成型处理能够使得Al粉、Ti粉、Me粉固结在一起以形成低密度的初始TiAlMe靶材锭坯，第二次热等成型处理再对初始TiAlMe靶材锭坯进一步致密化。由于经过上述第一热等静压处理后，Al已经固结于初始TiAlMe靶材锭坯中，因此熔化的Al不会发生流动，以使得初始TiAlMe靶材锭坯经第二次热等静压处理后能够成型高密度的靶材材料。通过第一热等静压对靶材预成型，再进行第二次热等静压对靶材进行致密成型，无需通过熔炼和雾化制粉制备TiAl合金粉，也可减少Al因HIP温度过高发生熔化而造成靶材无法成型的情况，减小了工艺难度，大大降低了靶材的制备成本。
可选的，所述两次热等静压成型的步骤包括：
将所述粉体装入第一包套，在第一包套预留脱气口，进行加热真空脱气后，进行第一热等静压成型处理，去除第一包套后得到密度≥85％的初始TiAlMe靶材锭坯；
再将所述初始TiAlMe靶材锭坯装入第二包套，进行加热真空脱气后，进行第二热等静压成型处理，去除包套后得到密度≥99％的TiAlMe靶材锭坯成品。
通过采用上述技术方案，通过加热真空脱气分别对第一包套和第二包套进行抽真空，并将混合粉体和初始TiAlMe靶材锭坯中物理吸附和弱键吸附的水或气体杂质进行解吸并抽出，以有效的降低靶材中的N、O等气体杂质，提升靶材产品的纯度。
可选的，所述第一热等静压成型处理的处理温度为400℃～600℃，压力100～150MPa，保温保压时间为2-6h。
通过采用上述技术方案，400℃～600℃的处理温度使得热压形成的靶材锭坯不会留有较多空隙，以能够达到一定的致密度，同时又不会使得Al和第一包套发生熔化而难以成型。若压力低于100～150MPa，会使得初始TiAlMe靶材锭坯中Ti粉、Al粉和Me粉之间的固结牢度不够，而导致Al在高温热等静压阶段熔化后发生流动而难以成型；若压力设置过大又会增加热等静压处理的成本。
可选的，所述第二热等静压成型处理的处理温度为850℃～1200℃，压力100～150MPa，保温保压时间为2～6h。
通过采用上述技术方案，850℃～1200℃的处理温度能够使得对初始TiAlMe靶材锭坯进一步致密化，以能够达到一定的致密度的同时，又不会因温度过高而造成HIP成本过高，也不易出现因温度过大而使得第二包套熔化，而导致靶材难以成型的情况。
可选的，所述第一包套为铝制包套，所述第二包套为不锈钢包套。
通过采用上述技术方案，铝制包套第二次热等静压成型处理中的处理温度下不会发生熔化，以使得铝制包套内的混合粉体能够在热等静压处理中预成型。不锈钢的承热范围一般在1000～1300℃之间，其中型号316的不锈钢的承热温度可以达到1300℃，使得不锈钢包套在第二次热等静压成型处理中耐热而不熔化，而使得低密度TiAlMe靶材锭坯在高温热等静压处理中更容易致密成型。
可选的，两次所述加热真空脱气处理的脱气温度均为400～600℃，脱气保温真空度均≤2*10-2Pa，保温时间均为4-8h。
通过采用上述技术方案，限定的脱气温度、保温真空度和时间使得能够并将混合粉体和初始TiAlMe靶材锭坯中物理吸附和弱键吸附的水或气体杂质更加彻底地解吸并抽出的同时，不会过大增加加热真空脱气处理的成本，以降低制备成本。
可选的，所述Ti粉的粒度为-80～-500目；所述Al粉的粒度为-200～-500目；所述Me粉为-200～-500目。
通过采用上述技术方案，-80～-500目指Ti的粒度范围能够通过80目至500目范围的筛网，Al粉和Me粉同理。靶材晶粒度主要是通过单质粉的粒度进行控制，单质粉的粒度越小则靶材晶粒度越小。但若单质粉粒度过小，易出现混合不均匀，而导致制得的靶材不同部位的晶粒度的差异较大；且当Al粉与其他两者混合不均，会使得初始TiAlMe靶材中Al的固结牢度不足，使得在第二热等静压成型处理时出现发生Al流动而导致靶材产品的密度降低的情况。上述粒度范围区间的Ti粉、Al粉和Me粉制得的靶材既能够因晶粒度较小而有较高密度，又不会因混合不匀而使得靶材产品的密度降低。
可选的，所述Me选自Si、B、Zr、W、Co、Mo、Cr、Ta、Nb、V、和La元素中的至少一种通过采用上述技术方案，Me为添加的元素材料，具体可以为上述各种元素，能够分别提升靶材的抗氧化性、耐磨性、形成镀膜的抗裂性等性能，还能够有效避免靶材出现疏松和缩孔现象，从而进一步提升TiAlMe靶材的致密性。
可选的，所述Al粉、Ti粉、Me粉的纯度均≥99.8％。
通过采用上述技术方案，Al粉、Ti粉、Me粉的纯度均≥99.8％能够提升最终的形成的靶材的纯度，从而提升靶材溅射镀膜后形成的溅射薄膜的性能和质量。
可选的，所述钛基靶材的铝含量为1～30at％。密度为≥99％。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过第一热等静压对靶材预成型，再进行第二热等静压对靶材进行致密成型，即可得到高密度的靶材，无需通过熔炼和雾化制粉制备TiAl合金粉，也可减少Al因HIP温度过高发生熔化而造成靶材无法成型的情况，减小了工艺难度，大大降低了靶材的制备成本；
附图说明
图1是本申请实施例的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图1和实施例对本申请作进一步详细说明。
一、实施例
实施例1：
一种低铝含量钛基靶材及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选用粒度为-80目的Ti粉、粒度为-200目的Al粉、粒度为-200目的Me粉，且Al粉、Ti粉、Si粉的纯度均为99.8％，将Al粉、Ti粉、Me粉按比例进行机械混合形成混合粉体，混合粉体中Ti粉的含量为80at％、Al粉的含量为16at％，Si粉的含量为4at％。
S2、将混合粉装入第一包套内，在第一包套预留脱气口，进行加热真空脱气后，得到第一坯体，加热真空脱气处理的温度400℃、脱气保温真空度2*10-2Pa、保温时间均为4h；
S3、对第一坯体进行第一热等静压成型处理，第一热等静压成型处理的处理温度为400℃、压力为100MPa、保温保压时间为2h，去除第一包套后得到密度≥85％的初始TiAlMe靶材锭坯；
S4、再将初始TiAlMe靶材锭坯装入不锈钢包套内，在不锈钢包套预留脱气口，再次进行加热真空脱气处理，得到第二坯体，加热真空脱气处理的温度400℃、脱气保温真空度2*10-2Pa、保温时间均为4h；
S5、对第二坯体进行第二热等静压成型处理，第二热等静压成型处理的处理温度为850℃、压力为100MPa、保温保压时间为2h；去除不锈钢包套后得到密度≥99％的TiAlMe靶材锭坯成品，经线切割加工后得到符合图纸要求的靶材产品。
实施例2：
与实施例1不同之处在于：选用粒度为-325目的Ti粉、粒度为-325目的Al粉、粒度为-325目的Si粉。
实施例3：
与实施例1不同之处在于：选用粒度为-500目的Ti粉、粒度为-500目的Al粉、粒度为-500目的Si粉。
实施例4：
与实施例2不同之处在于：第一热等静压成型处理的处理温度为470℃、压力为140MPa、保温保压时间为3h；
实施例5：
与实施例2不同之处在于：第一热等静压成型处理的处理温度为600℃、压力为150MPa、保温保压时间为6h；
实施例6：
与实施例4不同之处在于：第二热等静压成型处理的处理温度为950℃、压力为130MPa、保温保压时间为3h；
实施例7：
与实施例4不同之处在于：第二热等静压成型处理的处理温度为1200℃、压力为150MPa、保温保压时间为3h；
实施例8；
与实施例6不同之处在于：两次加热真空脱气处理的脱气温度均为450℃，脱气保温真空度均≤2*10-3Pa，保温时间均为6h；
实施例9；
与实施例6的不同之处在于：两次加热真空脱气处理的脱气温度均为600℃，脱气保温真空度均≤2*10-4Pa，保温时间均为8h；
实施例10：
与实施例8的不同之处在于：Ti粉的含量为99at％，Al粉的含量为1at％，Si粉的含量为0at％；
实施例11：
与实施例8的不同之处在于：Ti粉的含量为70at％、Al粉的含量为1at％，Si粉的含量为19at％；
二、对比例
对比例1：
与实施例1不同之处在于：对加热真空脱气处理后的第一坯体仅进行第一热等静压成型处理，保温保压时间为6h；
对比例2：
与实施例1不同之处在于：将混合粉体直接装入不锈钢包套内，在不锈钢包套上预留脱气口，进行加热真空脱气后得到第三坯体，仅对第三坯体进行第二热等静压成型处理，保温保压时间为6h。
对比例3
与实施例1不同之处在于：第一热等静压成型处理的处理温度为700℃，第一热等静压成型处理的处理温度为900℃。
三、性能检测试验：
1)将实施例1-11和对比例1-3制得的靶材产品按照GB/T6394-2002金属材料平均晶粒度测定方法，对靶材产品的平均晶粒度进行评定；
2)将实施例1-11制得的初始初始TiAlMe靶材锭坯根据称重法，对初始TiAlMe靶材锭坯的相对密度进行测定；
3)将实施例1-11和对比例1-3制得的靶材产品根据据阿基米德排水法，对靶材产品的相对密度进行测定；
4)将实施例1-11和对比例1-3制得的靶材产品通过光谱能量测定法，对靶材产品的纯度进行测定。
以上性能测试结果如表1所示：
四、结果分析与总结：
结合实施例1-11和对比例1-3并结合表1可以看出，实施例1制得靶材产品的相对密度为99.1％，而对比例1仅对混合粉体制得的第一坯体进行第一热等静压成型处理，虽然保温保压时间与实施例1相同，但制得的靶材产品的相对密度远低于实施例1；而对比例2将混合粉体直接装入不锈钢包套内制得第三坯体，将第三坯体仅通过第二热等静压成型处理，虽然保温保压时间与实施例1相同，但制得的靶材产品的相对密度低于实施例1。
由表1可知，对比例3的靶材产品的相对密度为89.9％，远低于实施例1。由此可知，当第一热等静压成型处理的处理温度过高，第二热等静压成型处理温度过低，即第一热等静压成型处理和第二热等静压成型处理的温度差值过小时，制得的靶材产品的相对密度交底。
由上可得，先用第一热等静压成型处理使得混合粉体预成型，再通过第二热等静压成型处理进一步致密化，第一热等静压成型处理和第二热等静压成型处理的温度差值＝250～800℃时，能够可得到相对密度≥99％的靶材。
由表1可知，实施例4的靶材产品的相对密度为99.5％，实施例6-7的靶材产品的相对密度均为99.9％。由上可得，相比于实施例4，实施例6中第二热等静压成型处理的处理温度、压力和保温保压时间对靶材产品的致密效果更好。实施例7对靶材产品的致密效果相比于实施例6并无改进，且会使得HIP成本增加，不利于生产。
实施例1-3选用的Ti粉、Al粉和Si粉的粒度大小排序为：实施例1＞实施例2＞实施例3。由表1可知，实施例1的平均晶粒度为90-105μm、相对密度为99.1％，而实施例2的平均晶粒度为50-60μm、相对密度为99.4％，实施例3的平均晶粒度均为45-65μm、相对密度为99.3％。
由上可得，实施例1因粒度较大而导致靶材产品的平均晶粒度较大，实施例2的粒度较小使得靶材产品的平均晶粒度较大，从而使得实施例2靶材产品的相对密度大于实施例1；而实施例3因粒度过小，使得混合粉体的均匀度不够，导致靶材产品的平均晶粒度的差异变大，且使得靶材的相对密度减小。因此，Ti粉、Al粉和Si粉的粒度均为-325目时，靶材产品的平行晶粒度能够更小且更均匀，且靶材产品的相对密度更大，靶材产品的品质更好。
由表1可知，实施例2的初始TiAlMe靶材锭坯的相对密度为86％，靶材产品的相对密度为99.4％，实施例4初始TiAlMe靶材锭坯的相对密度为89％、靶材产品的相对密度为99.5％，实施例5初始TiAlMe靶材锭坯的相对密度为89％、的相对密度为99.5％。
由上可得，相比于实施例2，实施例4中第一热等静压成型处理的处理温度、压力和保温保压时间对混合粉体的预成型效果更好，对应的对靶材产品的致密效果也有所提升。实施例5对混合粉体的预成型效果和对靶材产品的致密效果相比于实施例4并无改进，且会使得HIP成本增加，不利于生产。
由表1可知，实施例6的靶材产品的纯度为99.91％，实施例7-8的靶材产品的纯度为99.96％。由上可得，相比于实施例6，实施例7中加热真空脱气处理的脱气温度、脱气保温真空度和保温时间能够对混合粉体和初始TiAlMe靶材锭坯中物理吸附和弱键吸附的水或气体杂质解吸抽出得更加彻底，使得靶材产品的纯度更好。实施例8对靶材产品纯度的提升效果相比于实施例6并无改进，且会使得加热真空脱气处理的成本增加，不利于生产。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种低铝含量钛基靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将Al粉、Ti粉、Me粉按比例进行机械混合形成混合粉体，所述混合粉体中Al粉的含量为1-30at％，Ti粉的含量为70-99at％，Me粉的含量为0-20at％；
将所述混合粉体装入包套，进行两次热等静压成型，其中，第一热等静压成型处理的热处理温度为T1，第二热等静压成型处理的热处理温度为T2，且满足：T2-T1＝250～800℃；
将所述粉体装入第一包套，在第一包套预留脱气口，进行加热真空脱气后，进行第一热等静压成型处理，去除第一包套后得到密度≥85％的初始TiAlMe靶材锭坯；
再将所述初始TiAlMe靶材锭坯装入第二包套，进行加热真空脱气后，进行第二热等静压成型处理，去除包套后得到密度≥99％的TiAlMe靶材锭坯成品；
所述第一热等静压成型处理的处理温度为400℃～600℃，压力100～150MPa，保温保压时间为2-6h；
两次所述加热真空脱气处理的脱气温度均为400～600℃，脱气保温真空度均≤2x10- 2Pa，保温时间均为4-8h；
所述Ti粉的粒度为-80～-500目；所述Al粉的粒度为-200～-500目；所述Me粉为-200～-500目。
2.根据权利要求1所述的一种低铝含量钛基靶材的制备方法，其特征在于：所述第二热等静压成型处理的处理温度为850℃～1200℃，压力100～150MPa，保温保压时间为2～6h。
3.根据权利要求2所述的一种低铝含量钛基靶材的制备方法，其特征在于：所述第一包套为铝制包套；所述第二包套为不锈钢包套。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种低铝含量钛基靶材的制备方法，其特征在于：所述Me选自Si、B、Zr、W、Co、Mo、Cr、Ta、Nb、V、和La元素中的至少一种。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种低铝含量钛基靶材的制备方法，其特征在于：所述Al粉、Ti粉、Me粉的纯度均≥99.8％。
6.一种由权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的低铝含量的钛基靶材，其特征在于：所述钛基靶材的铝含量为1～30at％，密度为≥99％。
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