專利名稱：鉻二鋁碳陶瓷靶材及其真空熱壓制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高溫涂層的靶材制備方法，具體為一種鉻二鋁碳陶瓷靶材及其真空熱壓制備方法，屬于陶瓷靶材制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
陶瓷是人類生活和生產(chǎn)中不可缺少的一種材料，其應用范圍遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。眾所周知，陶瓷材料的化學鍵結(jié)合一般是離子鍵和共價鍵，這種化學鍵具有很強的方向性和很高的結(jié)合能，因此，陶瓷材料的性能一般表現(xiàn)為硬度大、熔點高、化學穩(wěn)定性高。陶瓷材料表現(xiàn)為本征脆性，一般很難產(chǎn)生塑性變形，因而限制了其應用領(lǐng)域。盡管陶瓷研究者在陶瓷增韌方面做了很多工作，但是這些方法普遍成本很高、工藝復雜。近幾年來，一類具有層狀結(jié)構(gòu)的三元碳化物和氮化物成為國內(nèi)外科研工作者的研究熱點。這類化合物金屬鍵、共價鍵共存的特點，使其具有金屬的性能，如在高溫下有很好的導熱性能和導電性能，有較低的維氏硬度和剪切模量，極為優(yōu)良的抗熱震性能，能像金屬一樣進行機械加工和電加工，并在高溫下具有塑性；同時它還具有陶瓷的性能，有較高的屈服強度，高熔點，高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化和耐腐蝕性能以及較高的彈性模量。這些特殊的性能克服了傳統(tǒng)陶瓷材料的局限性，使得這類材料具有廣泛的應用前景。鉻二鋁碳是該類化合物中典型的一種，相比同類化合物，具有更好的抗氧化性能。鉻二鋁碳的性能特點，使其在高溫涂層方面具有良好的應用前景。根據(jù)M. Baben等人的研究結(jié)果，由于Cr2AlC在氧化過程中會生成致密的Cr203、Al2O3氧化層，一旦形成這兩種致密的氧化物可以有效阻止氧向涂層內(nèi)部擴散，相比較其他三元層狀化合物具有更好的抗氧化性能。瑞典 Uppsala University 和 University West 研究者 Jenny Frodelius和Janna Jiang等人選擇該類三元化合物中的Ti2AlC粉末,采用超音速火焰噴涂方法制備了均勻、致密的涂層，并與2009年 2010年發(fā)表幾篇研究論文，主要關(guān)于涂層制備、性能研究等方面，并且與傳統(tǒng)的NiCrAH過渡層材料的性能進行了比較。該類材料金屬、陶瓷兼具的特殊性能，使其在高溫涂層過渡層材料方面具有良好的應用前景。傳統(tǒng)制備高溫涂層的方法一般為電子束氣相物理沉積、磁控濺射等，這些制備方法均以靶材作為制備涂層的原材料，因此制備高純度、大尺寸鉻二鋁碳靶材對該材料的應用極為重要。中國發(fā)明專利(CN200610028833. 4)公開了一種用熔鹽法制備Cr2AlC粉末的方法，但是制備的粉體中含有Cr7C3和Cr2Al等雜質(zhì)相，而且制備過程中所使用的鹽后期處理不當易對環(huán)境造成污染；中國發(fā)明專利(CN200810105008. 9)公開了一種無壓燒結(jié)合成Cr2AlC陶瓷粉體的方法，但是考慮到無壓燒結(jié)制備過程中，660度左右鋁就會大量流動，損失嚴重，且制備得到的粉體結(jié)塊嚴重，后續(xù)破碎為粉體的過程需要消耗大量動力、能源。開發(fā)鉻二鋁碳材料在涂層領(lǐng)域的應用，需要高純高單相含量的鉻二鋁碳靶材，從而為后續(xù)得到該化合物的涂層提供原材料，本發(fā)明主要為高純、高單相含量鉻二鋁碳靶材的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的之一在于提供一種高純、高單相含量、高致密度鉻二鋁碳靶材。依據(jù)本發(fā)明制備的靶材，在純度、單相含量、致密度方面均可以滿足涂層制備對靶材的要求，同時由于粉末冶金近最終成型的特點，需要的后續(xù)加工步驟少，總體上成本較低。為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，采用的技術(shù)方案是
一種鉻二鋁碳陶瓷靶材，其特征在于所述的陶瓷靶材中鉻二鋁碳單相含量為98% 99%。鉻二鋁碳的化學式為Cr2AlC,其原子百分比組成為50%鉻、25%鉻、25%碳。一種優(yōu)選方案，其特征在于所述的陶瓷靶材中主元素鉻、鋁和碳的總含量大于99. 9%。
一種優(yōu)選方案，其特征在于所述的陶瓷靶材密度達到5. lg/cm3,靶材的相對密度大于97%。本發(fā)明的另一目的是提供一種高純、高單相含量、高致密度的鉻二鋁碳靶材的制備方法。本發(fā)明采用真空熱壓方法，具有適中的成本，靶材致密度較高。為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，采用的技術(shù)方案是
一種鉻二鋁碳陶瓷靶材的真空熱壓制備方法，包括以下步驟
(1)將鉻粉、鋁粉和碳粉按照摩爾比2:(n. 5): I配料后，進行機械混合，得到混合均勻的原料粉末；
(2)將步驟(I)所得到的原料粉末裝入一定尺寸的石墨模具中，進行預壓制坯，預壓后將石墨模具移入真空熱壓燒結(jié)爐中；
(3)熱壓爐先用機械泵抽真空，再用羅茨泵抽真空至KT1Pa,然后以5 10°C/min的升溫速度升溫到60(T65(TC，保溫f 2小時，不加壓；
(4)隨后以1(T20°C/min的升溫速度升溫，并開始不斷軸向加壓，當溫度升高至1300^1500°C，軸向壓力達到10 30MPa時，開始保溫保壓，保溫保壓2 4小時后，關(guān)閉加熱電源開始降溫，等爐體溫度降到900-110(TC，逐漸緩慢泄壓，至常壓；
(5)待熱壓爐完全冷卻至室溫后，取出石墨模具得到鉻二鋁碳靶材坯料；
(6)對鉻二鋁碳靶材坯料進行機械加工和電加工，然后清洗、烘干，得到高純高單相含量鉻二鋁碳陶瓷靶材。一種優(yōu)選方案，其特征在于步驟(I)中，所述的鉻粉、鋁粉和碳粉的純度均大于99. 9%,粒徑均小于20 u m。一種優(yōu)選方案，其特征在于步驟(I)中，原料的配比中鋁粉過量10 30at%，即鉻粉、鋁粉和碳粉按照摩爾比2: (I. n. 3): I配料。一種優(yōu)選方案，其特征在于步驟(I)中，所述的機械混合為將原料裝入球磨罐中球磨混合，球磨混合時間為10 15小時。一種優(yōu)選方案，其特征在于步驟(2)中，所述的預壓采用千斤頂進行預壓，預壓壓力為I 3MPa。一種優(yōu)選方案，其特征在于步驟(6)中，所述的機械加工為磨削加工，電加工為線切割加工；所述的清洗為將靶材放入含有清洗劑的純凈水中進行超聲波清洗，清洗I 2小時后，換純凈水再進行超聲波清洗I 2小時；洗凈后將靶材放入烘箱內(nèi)烘干，最后得到制備涂層用的靶材。
本發(fā)明靶材制備以高純的鉻粉、鋁粉和碳粉為原料，在原料配比上考慮到鋁元素揮發(fā)的實際情況，使鋁粉過量(T50at%，即鉻粉、鋁粉和碳粉按照摩爾比2: (n. 5) : I配料，采用高溫高壓的真空熱壓工藝制備鉻二鋁碳陶瓷靶材。熱壓燒結(jié)工藝過程中不加任何添加劑，熱壓過程中采用兩段式加熱，低溫段緩慢加熱防止了鋁的快速熔化，并使成分擴散均勻；高溫段快速加熱防止了晶粒的過快長大，制備的鉻二鋁碳靶材具有成分均勻，晶粒度適中的特點。本發(fā)明具有以下突出特點
I、采用真空熱壓燒結(jié)工藝制備鉻二鋁碳陶瓷靶材，有利于得到致密度較高、單相含量高、尺寸較大的陶瓷靶材，相對于傳統(tǒng)的無壓燒結(jié)方法，制備的鉻二鋁碳陶瓷靶材在致密度和強度上都具有很大的優(yōu)勢。2、熱壓制備工藝采用了分段式升溫方法，在600°C以下采用5 1(TC /min的升溫速度緩慢升溫，并在600 650°C低溫段采用無壓真空保溫，有效防止鋁在升溫過程中的流動，使鋁有足夠的時間擴散并使坯體內(nèi)部成分均勻，模具整體受熱均勻，對后續(xù)熱壓過程中得到成分和密度均勻的靶材提供保證。3、隨后的高溫段升溫、加壓工藝和降溫過程中的保壓工藝能進一步提高靶材的致密度，制備溫度和保溫時間適中，避免了靶材晶粒尺寸過度長大。本工藝既能達到高致密度靶材的要求，同時也避免了靶材的晶粒過度長大。4、本方法混料時在原料配比上考慮到升溫過程中鋁的部分損失，添加了過量鋁原料，能夠確保制備的鉻二鋁碳靶材完全反應，避免了雜相生成，提高靶材的單相含量。本發(fā)明制備的鉻二鋁碳陶瓷靶材致密度達到97%以上，鉻二鋁碳單相含量達到989^99%，靶材的氧含量低，靶材質(zhì)量滿足涂層制備要求，該制備方法成本較低，適合大尺寸鉻二鋁碳陶瓷靶材工業(yè)化生產(chǎn)。下面通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護范圍的限制。


圖I為采用本發(fā)明方法制備的鉻二鋁碳(Cr2AlC)靶材的X射線全譜擬合圖。
具體實施例方式實施例I
稱取Cr粉104克、Al粉32. 4克、C粉12克，鉻粉、鋁粉和碳粉的純度均大于99. 9%，粒徑均小于20 u m，放入球磨罐中，并加入300克瑪瑙球，球磨12小時。原料粉末放入石墨模具中，采用千斤頂對原料進行軸向預壓，預壓壓力為2MPa，預壓后將石墨模具移入真空熱壓燒結(jié)爐中。熱壓爐先用機械泵抽真空至一定真空度、再用羅茨泵抽真空至KT1Pa,然后以50C /min的升溫速度升溫到630°C，保溫2小時，不加壓；隨后以10°C /min的速度升溫、逐 步加壓，升至溫度1350°C，壓力為20MPa，保溫保壓2小時后，關(guān)閉加熱電源，開始降溫，待溫度達到1100°C后，泄壓，冷卻10小時，爐溫降到室溫，出坯料。對坯料進行磨削加工和線切割加工；加工后的靶材放入含有除油清洗劑的純凈水中，進行超聲波清洗，清洗I小時后，換純凈水再次進行超聲波清洗I小時；洗凈后的靶材放入真空干燥箱內(nèi)烘干，得到制備涂層用的高單相含量鉻二鋁碳陶瓷靶材。靶材的密度達到5. lg/cm3，相對密度達到97. 6%，對革巴材進行XRD相含量分析,其中鉻二招碳三元化合物相含量達到98. 4%。圖I為本實施例制備的鉻二鋁碳靶材XRD相含量分析結(jié)果。對XRD譜線全譜范圍內(nèi)進行擬合，經(jīng)過相含量定量計算，得到采用該方法制備的靶材中鉻二鋁碳單相含量達到98. 4%。實施例2
稱取Cr粉156克、Al粉48克、C粉18克，放入球磨罐中，并加入300克瑪瑙球，球磨13小時。原料粉末放入石墨模具中，采用千斤頂對原料進行軸向預壓，預壓壓力為2MPa，預壓后將石墨模具移入真空熱壓燒結(jié)爐中。熱壓爐先后用機械泵、羅茨泵抽真空KT1Pa,然后以5°C /min的升溫速度升溫到630°C，保溫2小時；隨后以10°C /min的速度升溫、逐步加壓，升至溫度1400°C，壓力為20MPa，保溫保壓2小時后，關(guān)閉加熱電源，開始降溫，待溫度達 到1000°C后，泄壓，冷卻10小時，爐溫降到室溫，出坯料。對坯料進行機械加工和電加工，力口工后靶材放入含有除油清洗劑的純凈水中，進行超聲波清洗，清洗I小時后，換純凈水再次進行超聲波清洗I小時；洗凈后的靶材放入真空干燥箱內(nèi)烘干，得到制備涂層用的高單相含量鉻二鋁碳陶瓷靶材。靶材的密度達到5. 12g/cm3，相對密度達到97. 9%，對靶材進行XRD相含量分析，其鉻二鋁碳相含量達到98. 2%。實施例3
稱取Cr粉312克、Al粉100克、C粉36克，放入球磨罐中，并加入600克瑪瑙球，球磨15小時。原料粉末放入石墨模具中，采用千斤頂對原料進行軸向預壓，預壓壓力為3MPa，預壓后將石墨模具移入真空熱壓燒結(jié)爐中。熱壓爐先后用機械泵、羅茨泵抽真空KT1Pa,然后以5°C /min的升溫速度升溫到650°C，保溫2小時；隨后以10°C /min的速度升溫、逐步加壓，升至溫度1500°C，壓力為30MPa，保溫保壓2小時后，關(guān)閉加熱電源，開始降溫，待溫度達到1100°C后，泄壓，冷卻10小時，爐溫降到室溫，出坯料。對坯料進行機械加工和電加工，力口工后靶材放入含有除油清洗劑的純凈水中，進行超聲波清洗，清洗2小時后，換純凈水再次進行超聲波清洗2小時；洗凈后的靶材放入真空干燥箱內(nèi)烘干，得到制備涂層用的高單相含量鉻二鋁碳陶瓷靶材。靶材的密度達到5. 09g/cm3，相對密度達到97. 3%，對靶材進行XRD相含量分析，其鉻二鋁碳相含量達到98. 1%。實施例4
稱取Cr粉208克、Al粉70克、C粉24克，放入球磨罐中，并加入600克瑪瑙球，球磨13小時。原料粉末放入石墨模具中，采用千斤頂對原料進行軸向預壓，預壓壓力為IMPa，預壓后將石墨模具移入真空熱壓燒結(jié)爐中。熱壓爐先后用機械泵、羅茨泵抽真空KT1Pa,然后以10°C /min的升溫速度升溫到620°C，保溫I小時；隨后以15°C /min的速度升溫、逐步加壓，升至溫度1450°C，壓力為lOMPa，保溫保壓4小時后，關(guān)閉加熱電源，開始降溫，待溫度達到900°C后，泄壓，冷卻12小時，爐溫降到室溫，出坯料。對坯料進行機械加工和電加工，力口工后靶材放入含有除油清洗劑的純凈水中，進行超聲波清洗，清洗I小時后，換純凈水再次進行超聲波清洗2小時；洗凈后的靶材放入真空干燥箱內(nèi)烘干，得到制備涂層用的高單相含量鉻二鋁碳陶瓷靶材。靶材的密度達到5. 20g/cm3，相對密度達到99. 4%，對靶材進行XRD相含量分析，其鉻二鋁碳相含量達到99%。實施例5稱取Cr粉130克、Al粉40克、C粉15克，放入球磨罐中，并加入400克瑪瑙球，球磨10小時。原料粉末放入石墨模具中，采用千斤頂對原料進行軸向預壓，預壓壓力為2MPa，預壓后將石墨模具移入真空熱壓燒結(jié)爐中。熱壓爐先后用機械泵、羅茨泵抽真空KT1Pa,然后以10°C /min的升溫速度升溫到600°C，保溫I小時；隨后以20°C /min的速度升溫、逐步加壓，升至溫度1300°C，壓力為20MPa，保溫保壓3小時后，關(guān)閉加熱電源，開始降溫，待溫度達到1000°C后，泄壓，冷卻10小時，爐溫降到室溫，出坯料。對坯料進行機械加工和電加工，加工后靶材放入含有除油清洗劑的純凈水中，進行超聲波清洗，清洗2小時后，換純凈水再次進行超聲波清洗I小時；洗凈后的靶材放入真空干燥箱內(nèi)烘干，得到制備涂層用的高單 相含量鉻二鋁碳陶瓷靶材。靶材的密度達到5. 17g/cm3，相對密度達到98. 85%，對靶材進行XRD相含量分析，其鉻二鋁碳相含量達到98. 7%。
權(quán)利要求
1.一種鉻二鋁碳陶瓷靶材，其特征在于所述的陶瓷靶材中鉻二鋁碳單相含量達到98% 99%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉻二鋁碳陶瓷靶材，其特征在于所述的陶瓷靶材中主元素鉻、鋁和碳的總含量大于99. 9%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鉻二鋁碳陶瓷靶材，其特征在于所述的陶瓷靶材密度達到5. lg/cm3，靶材的相對密度大于97%。
4.一種鉻二鋁碳陶瓷靶材的真空熱壓制備方法，包括以下步驟 (1)將鉻粉、鋁粉和碳粉按照摩爾比2:(n. 5) : I配料后，進行機械混合，得到混合均勻的原料粉末； (2)將步驟(I)所得到的原料粉末裝入石墨模具中，進行預壓制坯，預壓后將石墨模具移入真空熱壓燒結(jié)爐中； (3)熱壓爐先用機械泵抽真空，再用羅茨泵抽真空至KT1Pa,然后以5 10°C/min的升溫速度升溫到60(T65(TC，保溫f 2小時，不加壓； (4)隨后以1(T20°C/min的升溫速度，并開始不斷軸向加壓，當溫度升高至1300^1500°C，軸向壓力達到10 30MPa時，開始保溫保壓，保溫保壓2 4小時后，關(guān)閉加熱電源開始降溫，等爐體溫度降到900-110(TC，逐漸緩慢泄壓，至常壓； (5)待熱壓爐完全冷卻至室溫后，取出石墨模具得到鉻二鋁碳靶材坯料； (6)對鉻二鋁碳靶材坯料進行機械加工和電加工，然后清洗、烘干，得到高純高單相含量鉻二鋁碳陶瓷靶材。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉻二鋁碳陶瓷靶材的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟(I)中，所述的鉻粉、鋁粉和碳粉的純度均大于99. 9%，粒徑均小于20 u m。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉻二鋁碳陶瓷靶材的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟(I)中，所述的原料配比中招粉過量10 30at%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉻二鋁碳陶瓷靶材的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟(1)中，所述的機械混合為將原料裝入球磨罐中球磨混合，球磨混合時間為10 15小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉻二鋁碳陶瓷靶材的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟(2)中，所述的預壓采用千斤頂進行預壓，預壓壓力為I 3MPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉻二鋁碳陶瓷靶材的真空熱壓制備方法，其特征在于步驟(6)中，所述的機械加工為磨削加工，電加工為線切割加工；所述的清洗為將靶材放入含有除油清洗劑的純凈水中進行超聲波清洗，清洗I 2小時后，換純凈水再進行超聲波清洗I 2小時；洗凈后將靶材放入烘箱內(nèi)烘干，最后得到制備涂層用的靶材。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鉻二鋁碳陶瓷靶材及其真空熱壓制備方法，包括將鉻粉、鋁粉和碳粉按照摩爾比2:(1~1.5):1配料，預壓制坯；熱壓爐抽真空至10-1Pa，然后以5~10℃/min的速度升溫到600~650℃，保溫1~2小時；隨后以10~20℃/min的速度升溫至1300~1500℃，加壓到10～30MPa時，保溫保壓2~4小時后，降溫，降到900-1100℃，泄壓至常壓；冷卻至室溫，得到坯料；進行機械加工和電加工，然后清洗、烘干，得到高純高單相含量鉻二鋁碳陶瓷靶材。本發(fā)明制備的鉻二鋁碳陶瓷靶材致密度達到97%以上，鉻二鋁碳化合物相含量達到98~99%，靶材的氧含量低，靶材質(zhì)量滿足涂層制備要求，成本低，適合大尺寸鉻二鋁碳陶瓷靶材工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C04B35/645GK102653470SQ20111004963
公開日2012年9月5日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者儲茂友, 張碧田, 段華英, 潘德明, 王星明, 鄧士斌, 陳洋, 韓滄 申請人:北京有色金屬研究總院