硬質(zhì)涂層用濺射靶材對靶材的純度、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)強(qiáng)度、外觀尺寸要求較高，同時靶材的成分和制備工藝對膜層的各項性能有著決定性影響。
鈦鋁合金(Ti-Al)作為一種硬質(zhì)涂層用鍍膜靶材，其涂層具有硬、脆、耐磨、抗氧化等優(yōu)異性能，在刀具、磨具等易損件方面應(yīng)用較為廣泛。但是Ti-Al合金靶材的制備比較困難，在合金化過程中極易產(chǎn)生氣泡、縮孔、疏松現(xiàn)象，導(dǎo)致合金的孔隙率高，無法滿足靶材致密性的要求。Ti-Al合金靶材的制備工藝成為人們研究的熱點，各種新的制備工藝不斷涌出，目前常用的制備方法有熔煉法、強(qiáng)電流加熱法和燒結(jié)法[7-9]。本文主要研究了燒結(jié)法中常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種靶材制備工藝對涂層性能的影響。
1、實驗
1.1主要原料及設(shè)備
采用Ti粉(粒徑不大于45gm，純度不低于99.8％，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、Al粉(粒徑不大于30μm，純度不低于99.9％，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、丙酮(分析純)、無水乙醇(分析純)為實驗原料。
主要設(shè)備包括：球磨機(jī)(米淇，MITR-YXQM-1L)、馬弗爐(德國Nabertherm，L5/13-LT15/13)、熱壓燒結(jié)爐(上海皓越，VHSgr-20-1600)、磁控濺射鍍膜機(jī)(德國NSC-4000Suptter)、金相電子顯微鏡(上海萬衡，MM-7C)、掃描電子顯微鏡(日本電子JEOL，JSM-IT500HR)、X射線衍射儀(荷蘭帕納科，Aeris)、維氏硬度計(蘇州南光，HV-l000)。
1.2常壓燒結(jié)制備TiAI合金靶材
將Ti粉和AI粉按照質(zhì)量比1：1的比例混合得到TiAl混合粉料，然后將混合粉料和乙醇按照質(zhì)量比2:3的比例加入球磨混料機(jī)，設(shè)定好球磨參數(shù)(球料質(zhì)量比為10:1～15:1、大小球比為2:1、氬氣保護(hù)、轉(zhuǎn)速360r/min)，濕磨12h后，在100℃烘干2h，過100μm篩，取小于100μm的粉料壓制成形。最后，將坯體置于箱式馬弗爐中于1200℃保溫5h進(jìn)行燒結(jié)(升溫速率：100℃／h)，燒結(jié)完成后得到TiAI合金靶材。
1.3熱壓燒結(jié)制備TiAI合金靶材
按照1.2中所述的粉料配比和球磨工藝對粉料進(jìn)行預(yù)處理，然后取小于100μm的粉料裝入表面涂有BN的石墨模具中。將裝有粉料的石墨模具置于真空熱壓爐中，抽真空至5×10-3Pa后，按照表1中的熱壓燒結(jié)工藝制備得TiAI合金靶材。
1.4濺射鍍膜法制備硬質(zhì)涂層
采用低碳鋼作為基體材料，基體經(jīng)過拋光、丙酮清洗、乙醇清洗、烘干處理后置于磁控濺射儀真空室內(nèi)，對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)抽真空至壓力為0.1Pa，設(shè)置沉積溫度為500℃，濺射鍍膜功率為100W，Ar氣流量為30mL/min。充入Ar作為氣體放電載體至氣體壓力為3.5Pa，對基體進(jìn)行濺射沉積鍍膜15min。圖1為濺射鍍膜示意圖。TiAI靶材經(jīng)過Ar離子轟擊，靶材表面的TiAl離子與加速的Ar離子進(jìn)行動能交換，并且離開靶材固體，進(jìn)而沉積在低碳鋼基體表面。待真空室內(nèi)溫度降至70℃時，取出試樣，得到表面沉積有TiAI硬質(zhì)涂層的低碳鋼材。
1.5硬質(zhì)涂層性能測試
采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡分別觀察涂層表面；采用x射線衍射儀分析基體表面硬質(zhì)涂層的物相組成；采用氧化增重法測試涂層的抗高溫氧化性能，方法為：試樣在1000℃的靜態(tài)空氣中氧化5h，每隔1h取出一組試樣，冷卻至室溫后稱取試樣的質(zhì)量，計算單位面積氧化增重，繪制氧化動力學(xué)曲線。采用顯微維氏硬度計，在載荷為100g，保壓15s的條件下對基體表面硬質(zhì)涂層相鄰0.5mm距離的兩點取樣測試，每個試樣采用5點作平均值，測定涂層表面顯微硬度值。
2、結(jié)果與討論
2.1金相電子顯微鏡分析
圖2為硬質(zhì)涂層表面的金相顯微照片。其中灰色部分為TiAI硬質(zhì)涂層，黑色部分為低碳鋼基體。
可以看出，常壓燒結(jié)靶材制備的涂層中出現(xiàn)了部分較密集的TiAI，分散不均勻。這種團(tuán)聚容易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致硬質(zhì)涂層內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，影響涂層的使用性能。熱壓燒結(jié)靶材制備的涂層中，TiAI分布較為均勻，而且涂層組織較為致密。
2.2掃描電子顯微鏡分析
圖3為硬質(zhì)涂層表面的掃描電子顯微鏡照片。可以看出，涂層與基體之間存在殘渣和氣孔等缺陷，并未完全覆蓋基材的表面。這種殘渣和氣孔可能是靶材飛濺到正在沉積生長的涂層表面所造成的，也有可能是當(dāng)前處理不當(dāng)導(dǎo)致基體表面不平整造成的。而這缺陷會成為涂裂紋的介質(zhì)通道，從而影響涂層的使用壽命。熱壓燒結(jié)靶材制備的涂層中，涂層覆蓋基體較為完全，殘渣和氣孔量均比常壓燒結(jié)靶材制備的涂層減少，且表面更為光滑，這說明熱壓燒結(jié)的靶材濺射效果好。
2.3X射線衍射分析
圖4為硬質(zhì)涂層的X射線衍射。可以看出，常壓燒結(jié)靶材和熱壓燒結(jié)靶材制備的涂層的圖譜出峰位置和強(qiáng)度基本一致，在30~50（°）之間有較明顯的衍射峰。常燒結(jié)和熱壓燒結(jié)的靶材經(jīng)濺射涂膜之后，其成分一致，晶體相同，說明熱壓燒結(jié)并沒有破壞TiAI合金靶材的組成成分，保持了常壓燒結(jié)成分穩(wěn)定的優(yōu)勢。
2.4耐高溫氧化性分析
圖5為不銹鋼基硬質(zhì)涂層在1000℃條件下高溫氧化過程中的質(zhì)量增量隨時間的變化曲線。可以看出，常壓燒結(jié)靶材和熱壓燒結(jié)靶材制備的涂層的氧化質(zhì)量增加都呈現(xiàn)相同的變化趨勢：起始階段質(zhì)量增量較大，隨著時間的延長，變化率開始減少，最后趨于穩(wěn)定。說明兩種類型涂層的抗氧化機(jī)理相似：初始階段，氧化過程的關(guān)鍵步驟為氧氣和表面金屬離子間的化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)為空氣中氧氣被涂層表面的原子吸附，氧原子與涂層表面的金屬離子間的結(jié)合力由范德華力轉(zhuǎn)為化學(xué)鍵，其變化過程速率較快；隨著氧化反應(yīng)進(jìn)行，氧化反應(yīng)由化學(xué)吸附轉(zhuǎn)向氧化膜的形成，此時的氧化速率降低，主要是因為表面形成的氧化膜能夠有效地阻礙氧離子向內(nèi)擴(kuò)散，并且隨著氧化過程的進(jìn)行，氧化膜厚度增加，離子的擴(kuò)散距離越來越大，擴(kuò)散越來越困難。
從圖中可看出，兩種涂層都具有一定的耐高溫氧化性能。但是常壓燒結(jié)靶材涂層的氧化速率更快，而熱壓燒結(jié)靶材涂層的氧化速率相對較慢，這主要是因為熱壓燒結(jié)所形成的涂層致密性更好，氧氣擴(kuò)散速率較慢所致。
2.5顯微硬度測試分析
常壓燒結(jié)靶材制備的涂層的顯微硬度值為1798HV，而熱壓燒結(jié)靶材所制備的硬質(zhì)涂層硬度高達(dá)3165HV，提高了76％。涂層的相結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、表面致密性及缺陷等因素都會影響涂層的硬度。從涂層的微觀結(jié)構(gòu)對比可知，由于常壓燒結(jié)靶材所制備的涂層表面致密性較差、顆粒團(tuán)聚等因素導(dǎo)致了涂層硬度降低。而熱壓燒結(jié)靶材所制備的涂層致密性較高，孔隙率低，削弱了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，有效地阻止了低碳鋼基體承受外力時的變形程度，從而使涂層的硬度得到有效提高。
結(jié)論
(1)通過對涂層表面顯微結(jié)構(gòu)的表征，熱壓燒結(jié)的TiAI合金靶材濺射涂層比常壓燒結(jié)的要致密均勻，表面覆蓋完全，濺射效果好。
(2)通過XRD分析發(fā)現(xiàn)，常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)的TiAI合金靶材經(jīng)濺射涂膜之后，其成分一致，晶型相同。
(3)在1000℃同等高溫氧化條件下，熱壓燒結(jié)的TiAI合金靶材所形成的涂層比常壓燒結(jié)靶材涂層的氧化速率慢，耐高溫氧化性更好。
(4)熱壓燒結(jié)TiAl合金靶材所制備的硬質(zhì)涂層顯微硬度高達(dá)3165HV，比常壓燒結(jié)TiAl合金靶材制備的硬質(zhì)涂層顯微硬度提高了76％。
參考文獻(xiàn)：
[1]梁俊才，穆健剛，張風(fēng)戈，等．硬質(zhì)涂層用鍍膜靶材的研究[J]．粉末冶金工業(yè)，2014，24(2)：38．
[2]羅俊鋒，丁照崇，董亭義，等釕金屬濺射靶材燒結(jié)工藝研究【J]．粉末冶金工業(yè)，2012，22(1)：28．
[3]賈國斌，馮寅楠，賈英．磁控濺射用難熔金屬靶材制作、應(yīng)用與發(fā)展[J]．金屬功能材料，2016，23(6)：48．
[4]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，2O12，28(1)：51．
[5]陳利．Ti—A1一N基硬質(zhì)涂層的熱穩(wěn)定性能／微結(jié)構(gòu)及其力學(xué)／切削性能的研究[D]．長沙：中南大學(xué)，2009．
[6]童洪輝．物理氣相沉積硬質(zhì)涂層技術(shù)進(jìn)展[JJ．金屬熱處理，2008，33(1)：91．
[7]董亭義，小勇，章程，等．磁控濺射鈦靶材的發(fā)展概述【J】金屬功能材料，2017，24(5)：57．
[8]董亭義，戶赫龍，于文軍，等．集成電路用鈦靶材和銅鉻合金背板擴(kuò)散焊接技術(shù)研究『J1．金屬功能材料，2017，24(6)：23．
[9]BarshiliaHC，AcharyaS，GhoshM，eta1．Performanceevalu．a(chǎn)tionofTiAICrYNnanocompositecoatingsdepositedusingfour-cathodereactiveunbalancedpulseddirectcurrentmagne-tronsputteringsystem[J]．Vacuum，2010，85(3)：4l1
相關(guān)鏈接
