硬質(zhì)涂層用濺射靶材對(duì)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(shí)靶材的成分和制備工藝對(duì)膜層的各項(xiàng)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(guò)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(wú)法滿(mǎn)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(diǎn)，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(duì)涂層性能的影響。
1、實(shí)驗(yàn)
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(wú)水乙醇(分析純)為實(shí)驗(yàn)原料。
主要設(shè)備包括：球磨機(jī)(米淇，MITR-YXQM-1L)、馬弗爐(德國(guó)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(guó)NSC-4000Suptter)、金相電子顯微鏡(上海萬(wàn)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(jì)(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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)Ar離子轟擊，靶材表面的TiAl離子與加速的Ar離子進(jìn)行動(dòng)能交換，并且離開(kāi)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(shí)，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(cè)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(cè)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(chēng)取試樣的質(zhì)量，計(jì)算單位面積氧化增重，繪制氧化動(dòng)力學(xué)曲線。采用顯微維氏硬度計(jì)，在載荷為100g，保壓15s的條件下對(duì)基體表面硬質(zhì)涂層相鄰0.5mm距離的兩點(diǎn)取樣測(cè)試，每個(gè)試樣采用5點(diǎn)作平均值，測(cè)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T(mén)iAI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?jiān)蜌饪椎热毕荩⑽赐耆采w基材的表面。這種殘?jiān)蜌饪卓赡苁前胁娘w濺到正在沉積生長(zhǎng)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(huì)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?jiān)蜌饪琢烤瘸簾Y(jié)靶材制備的涂層減少，且表面更為光滑，這說(shuō)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(shuō)明熱壓燒結(jié)并沒(méi)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(shì)。
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(guò)程中的質(zhì)量增量隨時(shí)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(shì)：起始階段質(zhì)量增量較大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，變化率開(kāi)始減少，最后趨于穩(wěn)定。說(shuō)明兩種類(lèi)型涂層的抗氧化機(jī)理相似：初始階段，氧化過(guò)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(guò)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(shí)的氧化速率降低，主要是因?yàn)楸砻嫘纬傻难趸つ軌蛴行У刈璧K氧離子向內(nèi)擴(kuò)散，并且隨著氧化過(guò)程的進(jìn)行，氧化膜厚度增加，離子的擴(kuò)散距離越來(lái)越大，擴(kuò)散越來(lái)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(duì)較慢，這主要是因?yàn)闊釅簾Y(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(cè)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(huì)影響涂層的硬度。從涂層的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)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(guò)對(duì)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(guò)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％。
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