CN1702191A

CN1702191A - 一种合金薄板的制备方法

Info

Publication number: CN1702191A
Application number: CN 200510010040
Authority: CN
Inventors: 韩杰才; 赫晓东; 孟松鹤; 曲寿江; 陈贵清; 孙跃
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2005-11-30

Abstract

一种合金薄板的制备方法，它涉及一种制备合金薄板工艺的改进。本发明的目的是为解决难以塑性变形的金属材料及金属间化合物的薄板的制备问题。本发明准备待蒸发的材料棒和基板；将待蒸发的材料棒分别放入水冷铜坩埚中，将基板安装在基板转轴上，并将真空室抽真空至1～5×10^－3Pa；将加热基板调至规定温度；加热、蒸发分离层料棒，沉积分离层；停止沉积分离层，加热、蒸发金属合金棒，沉积金属合金层；停止电子枪加热，取出基板，并从基板上分离金属合金层得到合金薄板。本发明的显著优势在于可以将所生产合金薄板的厚度控制在5μm～5000μm之间，且本发明不仅仅局限于合金，薄板的材料可以是纯金属、金属间化合物、氧化物弥散强化合金、陶瓷。

Description

一种合金薄板的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种制备合金薄板工艺的改进。

背景技术：

随着科技的发展，对材料高温性能要求越来越高。尤其是在热防护领域，材料的耐高温性能已经不能满足使用要求。金属防热板是二十世纪八十年代开发出来的一种表面热防护技术。其设计思想是在高温结构件表面安装一层防热板，降低导热率，以提高高温结构件的耐高温性能，扩展其应用温度，延长使用寿命。目前，采用的防热板结构主要采用蜂窝板或波纹板，该蜂窝板或波纹板主要由合金薄板制造，以提高其使用温度。合金薄板主要采用轧制方法生产，但是对于难以变形的金属合金很难通过轧制方法得到板材。为了满足防热板结构轻量化要求，对合金薄板的厚度要求越来越薄。另外，目前，采用轧制方法生产的合金薄板最薄为100μm左右，很多金属合金，例如钨合金等，金属间化合物，例如TiAl等采用轧制方法很难轧制到这么薄或更薄。

发明内容：

本发明的目的是为解决难以塑性变形的金属材料及金属间化合物的薄板的制备问题，提供一种合金薄板的制备方法。本发明具有生产的合金薄板厚度薄的特点，而且还可以生产纯金属、金属间化合物、氧化物弥散强化合金、陶瓷材料的薄板。本发明包含以下步骤：一、准备待蒸发的材料棒和基板；二、将待蒸发的材料棒分别放入水冷铜坩埚中，将基板安装在基板转轴上，并将真空室抽真空至1～5×10^-3Pa；三、设定工艺参数；四、将加热基板调至规定温度；五、加热、蒸发分离层料棒，沉积分离层；六、停止沉积分离层，加热、蒸发金属合金棒，沉积金属合金层；七、停止电子枪加热，待温度降低，取出基板，并从基板上分离金属合金层得到合金薄板。所述步骤一中待蒸发材料棒包括分离层料棒、合金棒；所述步骤一中的基板材料为低碳钢或不锈钢，基板沉积表面是平面、曲面或波纹面；所述分离层料棒是与金属合金浸润性差、易于在金属合金层与分离层界面处或分离层与基板的界面处分离的CaF₂、MgF₂、ZrO₂或MgO陶瓷材料中的任意一种；所述合金棒是真空冶炼的铸锭棒或挤压棒；所述合金棒是成分与要得到的薄板相同的材料或其中的一种或几种成分构成的铸锭棒；所述金属合金的成分是Ni、Fe、Ti、Cu、Cr、Co、Al或Zr常见金属或其合金，或是Al₂O₃、Y₂O₃、ThO₂、ZrO₂、MoSi₂或SiC陶瓷；所述步骤三中的工艺参数包括：基板旋转速度≤30转/分钟；基板加热温度：根据金属合金熔点确定，通常为1/2～2/3熔点；进料速度≤4mm/min；加热基板的电子束电流≤2A；蒸发用电子束电流≤3A；电子束扫描形状为：直线、圆形、椭圆形或矩形扫描；电子束加速电压为15～25kV；所述合金薄板的厚度为5μm～5000μm。电子束物理气相沉积(EB-PVD)是一项比较新的蒸镀技术，EB-PVD技术是在真空环境中，由电子枪产生的高能电子束，高能电子束经过聚焦加热待蒸镀材料，使其熔化、蒸发，产生蒸汽，并使蒸汽在基板凝结，得到需要的材料。本发明的显著优势在于可以将所生产合金薄板的厚度控制在5μm～5000μm之间，且本发明不仅仅局限于合金，薄板的材料还可以是纯金属、金属间化合物、氧化物弥散强化合金、陶瓷。

附图说明：

图1是电子束物理气相沉积设备的主视图，图2是图1的A-A剖视图，图3是图1的B-B剖视图，图4是沉积后基板的剖面示意图。图1至图3中：2为真空室、3为电子枪室、4为基板转轴、5为竖挡板、6为真空室前门、7为横挡板、23为基板、d1为第一电子枪、d2为第二电子枪、d3为第三电子枪、d4为第四电子枪、d5为第五电子枪、d6为第六电子枪、g1为第一水冷铜坩埚、g2为第二水冷铜坩埚、g3为第三水冷铜坩埚、g4为第四水冷铜坩埚。图4中：23为基板、10为分离层、11为金属合金层。

具体实施方式：

具体实施方式一：本具体实施方式是通过以下步骤实现的：一、准备待蒸发的材料棒和基板；二、将待蒸发的材料棒分别放入水冷铜坩埚中，将基板安装在基板转轴上，并将真空室抽真空至1～5×10^-3Pa；三、设定工艺参数；四、将加热基板调至规定温度；五、加热、蒸发分离层料棒，沉积分离层；六、停止沉积分离层，加热、蒸发金属合金棒，沉积金属合金层；七、停止电子枪加热，待温度降低，取出基板，并从基板上分离金属合金层得到合金薄板。所述步骤一中待蒸发材料棒包括分离层料棒、合金棒；所述步骤一中的基板材料为低碳钢或不锈钢，基板沉积表面是平面、曲面或波纹面；所述分离层料棒是与金属合金浸润性差、易于在金属合金层与分离层界面处或分离层与基板的界面处分离的CaF₂、MgF₂、ZrO₂或MgO陶瓷材料中的任意一种；所述合金棒是真空冶炼的铸锭棒或挤压棒；所述合金棒是成分与要得到的薄板相同的材料或其中的一种或几种成分构成的铸锭棒；所述金属合金的成分是Ni、Fe、Ti、Cu、Cr、Co、Al或Zr常见金属或其合金，或是Al₂O₃、Y₂O₃、ThO₂、ZrO₂、MoSi₂或SiC陶瓷；所述步骤三中的工艺参数包括：基板旋转速度≤30转/分钟；基板加热温度：根据金属合金熔点确定，通常为1/2～2/3熔点；进料速度≤4mm/min；加热基板的电子束电流≤2A；蒸发用电子束电流≤3A；电子束扫描形状为：直线、圆形、椭圆形或矩形扫描；电子束加速电压为15～25kV；所述合金薄板的厚度为5μm～5000μm。

具体实施方式二：(参见图1～图4)本具体实施方式首先准备高温合金GH4169棒材和分离层材料ZrO₂。GH4169棒材直径为Φ98.5±0.5mm，长度300，棒材的长度取决于设备，还要保证材料致密，没有气孔，这样可以防止金属熔化和蒸发时发生飞溅，影响沉积薄板的表面质量。因此GH4169铸锭最好采用真空冶炼方法制备，然后通过车床加工到规定尺寸。ZrO₂棒材直径为Φ68.5±0.5mm，长度200mm，通常采用真空热压烧结方法制备。装料前，打开循环水，同时预热扩散真空泵。然后开始装载蒸发用棒料，将两根GH4169棒分别放入第三水冷铜坩埚g3和第四水冷铜坩埚g4中，两根ZrO₂棒分别放入第一水冷铜坩埚g1和第二水冷铜坩埚g2中(参照图3)。然后，安装基板。基板采用低碳钢，基板直径为Φ1000mm。基板安装前要进行研磨，使其表面粗糙度Ra＜1.5μm。基板研磨后，要通过超声波清洗去除表面油污。然后干燥，备用。安装完基板后，通过挡板转轴(图1中5)转动挡板，使其移动到基板正下方，用以遮挡蒸发初期的杂质。关闭真空室前面门(图3中6)，抽真空。首先用机械真空泵将真空抽至1×10^-2Pa，然后打开扩散真空泵，将真空抽至5×10^-3Pa，抽真空需要1.5～3小时。真空度达到5×10^-3Pa，加高压20kV，并启动第一电子枪d1，第二电子枪d2加热基板，调整电子束扫描形状为波浪线形，该波浪线形的方向是沿基板半径方向，第一电子枪d1，第二电子枪d2分别加热基板外侧和内侧。设定电子枪加热灯丝电流为0.6～1.5A，待基板温度达到750℃，降低第一电子枪d1，第二电子枪d2加热灯丝电流至0.6～0.9A，防止蒸汽在基板上凝结时放热使基板温度升高，导致制备的合金薄板晶粒粗大。接着，旋转基板，转速为30转/分钟，并开启第三电子枪d3加热第二水冷铜坩埚g2，第五电子枪d5加热第一水冷铜坩埚g1，开始蒸发。蒸发速度由电子枪灯丝电流和进料速度控制，电子枪灯丝电流为1～3A，ZrO₂进料速度为0.15～0.5mm/分钟。蒸发5分钟后，移开挡板开始蒸发分离层ZrO₂。分离层ZrO₂沉积10分钟后，关闭第三电子枪d3和第五电子枪d5。同时，重新将挡板移到基板正下方。然后启动第四电子枪d4加热第四水冷铜坩埚g4，第六电子枪d6加第三热水冷铜坩埚g3，电子枪灯丝电流为1～3A。蒸发10分钟后移开挡板，开始沉积高温合金GH4169。GH4169进料速度为0.15～1mm/分钟，GH4169蒸汽在基板上的沉积速率为0.5～2μm/分钟。沉积时间为150分钟，然后关闭电子枪，同时关闭高压电源。然后将挡板移至基板正下方，以防止合金薄板从基板上脱落。高压电源关闭1小时后关闭冷却水。待冷却至室温，对真空室充气，打开真空室前门取出基板，沉积后基板剖面图如图4所示，通过机械方法将GH4169薄板从基板与分离层之间剥离，得到高温合金GH4169薄板。

具体实施方式三：(参见图1～图4)本具体实施方式制备Fe基ODS合金薄板的材料成分(重量百分比)为73.5％Fe，20％Cr，5.5％Al，1％Y₂O₃。首先准备待蒸发材料FeCrAl合金棒、Y₂O₃棒和分离层材料ZrO₂。FeCrAl棒材直径为Φ98.5±0.5mm，长度30～500mm，FeCrAl棒最好也采用真空冶炼。Y₂O₃棒材直径为Φ68.5±0.5mm，长度20～500mm，采用真空热压烧结制备的，ZrO₂棒材的尺寸和生产工艺与具体实施方式二相同。装料前，打开循环水，同时预热扩散真空泵。然后开始装载蒸发用棒料，将2根GH4169棒分别放入第三水冷铜坩埚g3和第四水冷铜坩埚g4，一根ZrO₂棒放入第一水冷铜坩埚g1中，一根Y₂O₃棒放入第二水冷铜坩埚g2中(参照图3)。然后，安装基板。基板采用低碳钢，基板直径为Φ1000mm。基板安装前要进行研磨，使其表面粗糙度Ra＜1.5μm。基板研磨后，要通过超声波清洗去除表面油污。然后干燥，备用。安装完基板后，通过挡板转轴(图1中5)转动挡板，使其移动到基板正下方，用以遮挡蒸发初期的杂质。关闭真空室前面门(图3中6)，抽真空。首先用机械真空泵将真空抽至1×10^-2Pa，然后打开扩散真空泵，将真空抽至1×10^-3Pa，抽真空需要1.5～3小时。真空度达到1×10^-3Pa，加高压20kV，并启动第一电子枪d1，第二电子枪d2加热基板，调整电子束扫描形状为波浪线形，该波浪线形的方向是沿基板半径方向，第一电子枪d1和第二电子枪d2分别加热基板外侧和内侧。设定电子枪加热灯丝电流为0.6～1.5A，待基板温度达到750℃，开启第五电子枪d5加热第一水冷铜坩埚g1，开始蒸发。蒸发速度由电子枪灯丝电流和进料速度控制，电子枪灯丝电流为1～3A，ZrO₂进料速度为0.15～0.5mm/分钟。蒸发5分钟后，移开挡板开始蒸发分离层ZrO₂。分离层ZrO₂沉积10分钟后，关闭第五电子枪d5。同时，重新将挡板移到基板正下方。然后启动第四电子枪d4加热第四水冷铜坩埚g4，第六电子枪d6加热第三水冷铜坩埚g3，第三电子枪d3加热第二水冷铜坩埚g2。第四电子枪d4和第六电子枪d6的灯丝电流为1～3A，第三电子枪d3灯丝电流为0.4～0.8A，蒸发10分钟后移开挡板，开始沉积Fe基ODS合金。FeCrAl棒的进料速度为0.15～1mm/分钟，Y₂O₃棒进料速率为0.1～0.2mm/分钟，两种材料的混合蒸汽在基板上的沉积速率为0.5～2μm/分钟。沉积时间为150分钟，得到薄板厚度为120～200μm。然后关闭电子枪，同时关闭高压电源。然后将挡板移至基板正下方，以防止合金薄板从基板上脱落。高压电源关闭1小时后关闭冷却水。待冷却至室温，对真空室充气，打开真空室前门取出基板，沉积后基板剖面图如图4所示，通过机械方法将Fe基ODS高温合金薄板从基板与分离层之间剥离，得到Fe基ODS高温合金薄板。具体实施方式一至具体实施方式三中所述的电子束物理气相沉积设备由乌克兰GEKONT公司生产。

Claims

1、一种合金薄板的制备方法，其特征在于它包含以下步骤：一、准备待蒸发的材料棒和基板；二、将待蒸发的材料棒分别放入水冷铜坩埚中，将基板安装在基板转轴上，并将真空室抽真空至1～5×10^-3Pa；三、设定工艺参数；四、将加热基板调至规定温度；五、加热、蒸发分离层料棒，沉积分离层；六、停止沉积分离层，加热、蒸发金属合金棒，沉积金属合金层；七、停止电子枪加热，待温度降低，取出基板，并从基板上分离金属合金层得到合金薄板。

2、根据权利要求1所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述步骤一中待蒸发材料棒包括分离层料棒、合金棒。

3、根据权利要求1所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述步骤一中的基板材料为低碳钢或不锈钢。

4、根据权利要求1或3所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述基板沉积表面是平面、曲面或波纹面。

5、根据权利要求2所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述分离层料棒是与金属合金浸润性差、易于在金属合金层与分离层界面处或分离层与基板的界面处分离的CaF₂、MgF₂、ZrO₂或MgO陶瓷材料中的任意一种。

6、根据权利要求2所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述合金棒是真空冶炼的铸锭棒或挤压棒。

7、根据权利要求2或6所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述合金棒是成分与要得到的薄板相同的材料或其中的一种或几种成分构成的铸锭棒。

8、根据权利要求5所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述金属合金的成分是Ni、Fe、Ti、Cu、Cr、Co、Al或Zr常见金属或其合金，或是Al₂O₃、Y₂O₃、ThO₂、ZrO₂、MoSi₂或SiC陶瓷。

9、根据权利要求1所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述步骤三中的工艺参数包括：基板旋转速度≤30转/分钟；基板加热温度：根据金属合金熔点确定，通常为1/2～2/3熔点；进料速度≤4mm/min；加热基板的电子束电流≤2A；蒸发用电子束电流≤3A；电子束扫描形状为：直线、圆形、椭圆形或矩形扫描；电子束加速电压为15～25kV。

10、根据权利要求1所述的一种合金薄板的制备方法，其特征在于所述合金薄板的厚度为5μm～5000μm。