[发明专利]一种在金属材料表面镀膜获得耐高温涂层的铝钛钨三元合金靶材及其制备方法

说明书

一种在金属材料表面镀膜获得耐高温涂层的铝钛钨三元合金靶材及其制备方法。一种铝钛钨合金靶材的制备方法，该铝钛钨靶材由以下原子百分比的原料制成：铝粉60％～70％，钛粉30～40％，钨粉1～10％。本发明还包括铝钛钨合金靶材的粉末热压烧结和真空热处理方法。本发明利用铝粉、钛粉的活性，在真空条件下与钨粉实现烧结成形，然后再在高温下真空长时间退火，利用铝原子和钛原子的均匀化扩散作用，实现和添加的元素钨之间的冶金结合，在温度和压力的共同作用下，该靶材致密度高，提高了粉末烧结的效果，简化了生产工艺，是一种短流程、易操作的靶材生产过程，有利于提高生产效率。

技术领域

本发明涉及一种在金属材料表面镀膜获得耐高温涂层的铝钛钨三元合金靶材及其制备方法，属于粉末冶金及真空镀膜应用的相关技术领域。

背景技术

金属材料可以通过表面改性获得综合性能的提高，从而扩展其应用范围。在金属的工具、刀具和模具的使用过程中，材料表面常常会因为服役条件的原因，需要提高金属材料表层耐高温性能。为提高和保证材料表层的使用温度，一个有效的方法是在金属材料的表面制备一层耐高温的涂层，满足金属材料的使用温度要求。目前，通过表面镀膜的方式，可以有效地在工具、刀具和模具等需要在高温下应用的材料表面获得耐高温的涂层。而表面镀膜的方式中，真空溅射镀膜是近年来应用最成功的一种表面处理技术，该技术通过靶材的辉光放电，在真空室中释放出金属离子，沉积在工具、刀具和模具的表面，获得高质量的表面膜层。而靶材种类的不同，也使材料表面涂层的特性发生改变。因此，要在金属材料表面获得耐高温的涂层，需要设计和开发专门的镀膜使用的靶材。

在金属工具、刀具和模具表面膜层的制备过程中，已经有一些特殊性能的材料制成的靶材，通过真空溅射镀膜的方式，获得了不同特性的膜层。如姚舜辉等(摩擦学学报2005年25卷：258页)和姜雪峰(重庆大学学报2006年29卷：55页)报道：采用金属钛的靶材，可以在真空溅射过程中，在工具、刀具和模具表面获得TiN、TiCN、TiAl(CN)膜层；使用金属铬靶材，可以采用同样的镀膜技术获得CrN、CrCN等涂层；使用金属铝靶材，可以获得AlN涂层。这些膜层可以有效地提高金属材料表层的硬度，硬度值可以达到2400～2800HV，但是这类膜层可以承受的温度不能太高，一般不超过400℃，这在工具或刀具使用过程中，因为摩擦的缘故，会很快达到这个温度，使得膜层硬度迅速下降，失去膜层高硬度的效果。

在上述涂层基础上，黄选民(电镀与精饰，2009年31卷：12页)等提出将上述几种涂层制成复合膜层，即TiN/AlN涂层、TiN/CrN涂层、Ti/Fe/Cr/N涂层等，复合涂层可以进一步提高膜层的硬度及与基材的结合力，实现涂层性能的进一步提升。

针对涂层综合性能的提升，很多方式是通过真空镀膜技术来对膜层的性能进行提升，如采用脉冲激光沉积技术、多弧离子溅镀技术、离子束辅助沉积技术、磁控溅射沉积技术、等离子体化学气相沉积技术等等多种方法，来提高膜层的耐高温氧化性、耐腐蚀性和耐磨性。

此外，还可以通过对溅射时使用的靶材进行成分调整，在靶材中添加可以提高涂层特性的元素，通过元素之间的相互作用，实现对膜层某种特性的提升。例如，ZL200910043144.4提供了一种钛铝靶材的制备方法，可以制备出Ti-Al合金靶材，利用这种合金靶材，可以进一步提高镀膜膜层的硬度和耐热性。专利CN201610209640.2公开了一种Al-Nb-Si合金靶材，可以获得具有优异抗高温氧化性能且与基体有良好热物理性能匹配的富铝Ti-Al-Nb-Si多元合金化金属层。专利CN201510059082.1公开了在一种钛铝合金表面抗高温氧化和耐热腐蚀Al-Cr涂层的方法，也用到Al-Cr合金靶材。专利CN201510173094.7公开了一种钛铝锆铌/氮化钛铝锆铌四元氮梯度膜的制备方法，可以有效地改善膜层的抗高温氧化性能，该制备方法也是选用一个铌靶和三个钛铝锆合金靶的组合方式，共同溅射获得需要的膜层。因此，制备满足不同性能要求的涂层技术中，溅射靶材的成分、种类、制备技术，成为影响膜层性能的一个至关重要的方面。