一種鈦鋁硅鉭合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鈦鋁硅鉭合金材料及其制備方法。按照原子百分比，鈦鋁硅鉭合金材料的組成為：鈦1％～97％，鋁1％～97％，硅1％～50％，鉭1％～30％。鈦鋁硅鉭合金材料通過冷噴涂方法制備，包括以下步驟：首先將原材料(包括鈦粉、鋁粉、硅粉和鉭粉)進行機械混合，然后對基體表面進行除銹、除油、噴砂、清洗、烘干等預(yù)處理，最后在保護氣氛(氦氣、氮氣等惰性氣體或他們的混合氣體)下進行冷噴涂，制備鈦鋁硅鉭合金材料。本發(fā)明涉及的鈦鋁硅鉭合金材料具有致密度高、無偏析、組織均勻、晶粒細小、尺寸不受限制等優(yōu)點，其制造方法具有工藝流程短，可控性好，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。
【專利說明】
一種鈦鋁硅鉭合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鈦合金及其制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種鈦鋁硅鉭合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面工程是通過表面預(yù)處理，采取表面涂敷、表面改性或者多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固態(tài)金屬或者非金屬的表面形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需的表面性能的系統(tǒng)工程。在材料表面沉積一層或多層與其性質(zhì)完全不同的薄膜已經(jīng)成為提高基體材料性能的有效途徑之一。鍍膜材料中的靶材是影響薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵因素。隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，鍍膜材料也不斷更新。
[0003]氮化鈦是工藝最成熟，應(yīng)用最早和最廣泛的一種薄膜材料。在此基礎(chǔ)上通過元素摻雜發(fā)展出了更多的新型薄膜材料，如氮化鈦鋁、碳氮化鈦等。要想獲得這些薄膜離不開相應(yīng)的革E材，如純鈦、鈦招合金等。一般來說，合金的成分越復(fù)雜，做成革E材的難度越大，成本也越高。以金屬粉末為原材料的熱壓工藝，可以用于制備合金靶材。但是，真空熱壓靶材內(nèi)部密度不均勻，難以獲得高密度高質(zhì)量的靶材；同時受設(shè)備尺寸限制，難以獲得大尺寸的靶材。目前，大尺寸靶材一般通過小尺寸靶材拼接而成，拼接靶材中間存在縫隙，容易造成靶材在濺射過程中打弧，降低薄膜質(zhì)量和工作效率。
[0004]通過熱噴涂方法制造靶材已被大家熟知。常用的熱噴涂技術(shù)，包括火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂以及高速燃料噴涂等，它們的共同特點是噴涂材料被高溫?zé)嵩醇訜岢嗜廴趹B(tài)并被加速沉積到基體表面。熱噴涂過程存在難以避免的粉末氧化、相變或改變原始粉末物理和化學(xué)性質(zhì)等問題，影響制備靶材的質(zhì)量。
[0005]冷噴涂是最新發(fā)展起來的一種熱噴涂技術(shù)，亦稱為冷氣體動力噴涂，以壓縮氣體(氦氣、氮氣、空氣或混合氣體等)作為加速介質(zhì)，帶動金屬顆粒在固態(tài)下以極高的速度碰撞基板，顆粒發(fā)生劇烈的塑性變形，沉積形成涂層。與熱噴涂相比，冷噴涂的優(yōu)勢是顆粒速度高而溫度低，顆粒速度高于聲速，并且可以任意調(diào)節(jié)，噴涂過程溫度遠低于粉末熔點。冷噴涂材料的化學(xué)成分以及顯微組織結(jié)構(gòu)可與原材料保持一致，基本不存在氧化、合金成分燒損、晶粒長大等現(xiàn)象，可以噴涂熱敏感材料及相變敏感材料，同時涂層致密，氣孔少，可制備高電導(dǎo)率涂層。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種鈦鋁硅鉭合金材料，以及采用冷噴涂技術(shù)制備鈦鋁硅鉭合金的方法。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0008]一種鈦鋁硅鉭合金材料，原子百分比成分為I %?97 %的鈦，I %?97 %的鋁，I %?50%的硅，I %?30%的鉭。
[0009]所述鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，包括以下步驟:
[0010]步驟1.將原材料(包括鈦粉、鋁粉、硅粉和鉭粉)進行機械混合；
[0011 ]步驟2.基體表面預(yù)處理；
[0012]步驟3.在保護氣氛(氦氣、氮氣等惰性氣體或他們的混合氣體)下進行混合粉末的冷噴涂，制備鈦鋁硅鉭合金。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0014]本發(fā)明的鈦鋁硅鉭合金材料具有致密度高、無偏析、組織均勻、晶粒細小、尺寸不受限制等優(yōu)點。
[0015]本發(fā)明所述鈦鋁硅鉭合金的制造方法具有工藝流程短，可控性好，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明所用冷噴涂系統(tǒng)示意圖。
[0017]圖2是在平板上采用冷噴涂方法獲得的，原子百分比成分為鈦63%，鋁27%，硅8 %，鉭2 %的鈦鋁硅鉭合金材料示意圖。
[0018]圖3是在管狀基體采用冷噴涂方法獲得的，原子百分比成分為鈦57%，鋁26%，硅16%，鉭I %的鈦鋁硅鉭合金材料示意圖。
[0019]圖中:1.高壓氣體，2.送粉氣流，3.儲粉器，4.氣體溫度壓力控制器，5.加速氣流，6.超音速噴槍，7-粉末顆粒和加速氣體的混合噴射流，8-鈦鋁硅鉭合金涂層，9-平板狀基體，10.鈦鋁硅鉭合金中的鈦相，11.鈦鋁硅鉭合金中的鋁相，12.鈦鋁硅鉭合金中的硅相，13.鈦鋁硅鉭合金中的鉭相，14.管狀基體。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實施方案對本發(fā)明做進一步說明。
[0021]實施例1
[0022]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金包括以下原子百分比的成分:63%的鈦，27%的鋁，8%的硅，
[0023]2% 的鉭。
[0024]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金的冷噴涂制備方法，包括以下步驟:
[0025](I)粉末混合:按原子百分比，將301.562克鈦粉、72.849克鋁粉、22.468克硅粉、36.188克鉭粉進行8小時機械混合。各原料粉末的純度均不低于于99.99%。鈦粉的尺寸分布范圍為10微米至60微米，平均顆粒尺寸為32微米。鋁粉的尺寸分布范圍為8微米至70微米，平均顆粒尺寸為21微米。硅粉尺寸分布范圍為11微米至40微米，平均顆粒尺寸為19微米。鉭粉尺寸分布范圍為12微米至56微米，平均顆粒尺寸為27微米。
[0026](2)基體預(yù)處理:以一塊表面尺寸為4厘米X 4厘米，厚度為0.4厘米的不銹鋼板作為基體，如圖1中9，依次進行打磨除銹，熱堿除油，超聲丙酮清洗，烘干和噴鹽處理。
[0027](3)以氦氣作為送粉氣體，如圖1中2，壓力為2.6兆帕；以氦氣作為加速氣體，如圖中5，壓力為3兆帕，溫度為650攝氏度;送粉速率為50克每分鐘;噴涂距離為30毫米(S卩圖1中6超音速噴槍與9平板狀基體之間的距離)，噴涂速率為90毫米每秒(即圖1中6的移動速率)。噴涂次數(shù)為三次。
[0028]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金經(jīng)掃描電鏡觀察，截面氣孔含量低于2.12%。
[0029]實施例2
[0030]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金包括以下原子百分比的成分:57%的鈦，26%的鋁，16%的硅，I %的鉭。
[0031 ]本實施例所述的鈦鋁硅合金的冷噴涂制備方法，包括以下步驟:
[0032](I)粉末混合:按原子百分比，將272.849克鈦粉、70.151克鋁粉、44.936克硅粉、18.094克鉭粉進行12小時機械混合。各原料粉末的純度均不低于于99.99%。鈦粉的尺寸分布范圍為15微米至46微米，平均顆粒尺寸為28微米。鋁粉的尺寸分布范圍為10微米至58微米，平均顆粒尺寸為20微米。硅粉尺寸分布范圍為12微米至40微米，平均顆粒尺寸為19微米。鉭粉尺寸分布范圍為11微米至45微米，平均顆粒尺寸為24微米。
[0033](2)基體預(yù)處理:以一個外直徑為2厘米，長度為3厘米，厚度為0.5厘米的碳鋼管作為基體，如圖3中14，依次進行打磨除銹，熱堿除油，碳化硅噴砂，超聲丙酮清洗和烘干處理。
[0034](3)以氦氣作為送粉氣體，如圖1中2，壓力為2.4兆帕；以氦氣作為加速氣體，如圖1中5，壓力為2.9兆帕，溫度為600攝氏度;送粉速率為55克每分鐘;噴涂距離為20毫米(S卩圖1中6超音速噴槍與14管狀基體外表面之間的距離)，噴涂速率為100毫米每秒(即圖1中6的移動速率)。噴涂時控制基體管以一定的轉(zhuǎn)速繞中心軸旋轉(zhuǎn)，超音速噴槍以一定的速度在基體表面往復(fù)移動。噴涂次數(shù)為兩次。
[0035]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金經(jīng)掃描電鏡觀察，截面氣孔含量低于2.42%。
[0036]實施例3
[0037]本實施例所述的鈦鋁硅合金包括以下原子百分比的成分:97%的鈦，I %的鋁，I %的硅，I %的鉭。
[0038]本實施例所述的鈦鋁硅合金的冷噴涂制備方法，包括以下步驟:
[0039](I)粉末混合:按原子百分比，將464.310克鈦粉、2.698克鋁粉、2.086克硅粉、18.948克鉭粉進行12小時機械混合。各原料粉末的純度均不低于于99.99%。鈦粉的尺寸分布范圍為15微米至55微米，平均顆粒尺寸為26微米。鋁粉的尺寸分布范圍為5微米至61微米，平均顆粒尺寸為19微米。硅粉尺寸分布范圍為6微米至45微米，平均顆粒尺寸為27微米。鉭粉尺寸分布范圍為5微米至40微米，平均顆粒尺寸為20微米。
[0040](2)基體預(yù)處理:以一塊表面尺寸為5厘米X4厘米，厚度為0.5厘米的鋁合金板作為基體，如圖1中9，依次進行打磨除銹，熱堿除油，超聲丙酮清洗，烘干和噴鹽處理。
[0041 ] (3)以氦氣作為送粉氣體，如圖1中2，壓力為1.5兆帕；以氦氣作為加速氣體，如圖1中5，壓力為2兆帕，溫度為660攝氏度;送粉速率為60克每分鐘;噴涂距離為30毫米(即圖1中6超音速噴槍與9平板狀基體之間的距離)，噴涂速率為80毫米每秒(即圖1中6的移動速率)。噴涂次數(shù)為兩次。
[0042]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金經(jīng)掃描電鏡觀察，截面氣孔含量低于1.96%。
[0043]實施例4
[0044]本實施例所述的鈦鋁硅合金包括以下原子百分比的成分:1%的鈦，97%的鋁，1%的硅，I %的鉭。
[0045]本實施例所述的鈦鋁硅合金的冷噴涂制備方法，包括以下步驟:
[0046](I)粉末混合:按原子百分比，將4.787克鈦粉、116.467克鋁粉、18.948克硅粉、3.619克鉭粉進行10小時機械混合。各原料粉末的純度均不低于于99.99%。鈦粉的尺寸分布范圍為14微米至50微米，平均顆粒尺寸為25微米。鋁粉的尺寸分布范圍為9微米至50微米，平均顆粒尺寸為21微米。硅粉尺寸分布范圍為6微米至30微米，平均顆粒尺寸為21微米。鉭粉尺寸分布范圍為5微米至40微米，平均顆粒尺寸為20微米。
[0047](2)基體預(yù)處理:以一塊表面尺寸為3厘米X3厘米，厚度為0.5厘米的鋁合金板作為基體，如圖1中9，依次進行打磨除銹，熱堿除油，白剛玉噴砂，超聲丙酮清洗和烘干。
[0048](3)以氦氣作為送粉氣體，如圖1中2，壓力為0.8兆帕；以氦氣作為加速氣體，如圖1中5，壓力為1.5兆帕，溫度為700攝氏度;送粉速率為40克每分鐘;噴涂距離為30毫米(S卩圖1中6超音速噴槍與9平板狀基體之間的距離)，噴涂速率為90毫米每秒(即圖1中6的移動速率)。噴涂次數(shù)為兩次。
[0049]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金經(jīng)掃描電鏡觀察，截面氣孔含量低于1.03%。
[0050]實施例5
[0051]本實施例所述的鈦鋁硅合金包括以下原子百分比的成分:14%的鈦，16%的鋁，50%的硅，20%的鉭。
[0052]本實施例所述的鈦鋁硅合金的冷噴涂制備方法，包括以下步驟:
[0053](I)粉末混合:按原子百分比，將67.014克鈦粉、43.168克鋁粉、140.428克硅粉、361.896克鉭粉進行6小時機械混合。各原料粉末的純度均不低于于99.99%。鈦粉的尺寸分布范圍為15微米至46微米，平均顆粒尺寸為28微米。鋁粉的尺寸分布范圍為10微米至58微米，平均顆粒尺寸為20微米。硅粉尺寸分布范圍為12微米至40微米，平均顆粒尺寸為19微米。鉭粉尺寸分布范圍為11微米至45微米，平均顆粒尺寸為24微米。
[0054](2)基體預(yù)處理:以一個外直徑為3厘米，長度為3厘米，厚度為0.4厘米的銅管作為基體，如圖3中14，依次進行打磨除銹，熱堿除油，棕剛玉噴砂，超聲丙酮清洗和烘干處理。
[0055](3)以氦氣作為送粉氣體，如圖1中2，壓力為2兆帕；以氦氣作為加速氣體，如圖1中5，壓力為2.5兆帕，溫度為800攝氏度;送粉速率為45克每分鐘;噴涂距離為26毫米(S卩圖1中6超音速噴槍與14管狀基體外表面之間的距離)，噴涂速率為70毫米每秒(即圖1中6的移動速率)。噴涂時控制基體管以一定的轉(zhuǎn)速繞中心軸旋轉(zhuǎn)，超音速噴槍以一定的速度在基體表面往復(fù)移動。噴涂次數(shù)為三次。
[0056]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金經(jīng)掃描電鏡觀察，截面氣孔含量低于3.51%。
[0057]實施例6
[0058]本實施例所述的鈦鋁硅合金包括以下原子百分比的成分:20%的鈦，40%的鋁，16%的硅，30%的鉭。
[0059]本實施例所述的鈦鋁硅合金的冷噴涂制備方法，包括以下步驟:
[0060](I)粉末混合:按原子百分比，將95.734克鈦粉、107.92克鋁粉、44.938克硅粉、542.844克鉭粉進行8小時機械混合。各原料粉末的純度均不低于于99.99%。鈦粉的尺寸分布范圍為15微米至40微米，平均顆粒尺寸為25微米。鋁粉的尺寸分布范圍為9微米至55微米，平均顆粒尺寸為20微米。硅粉尺寸分布范圍為12微米至40微米，平均顆粒尺寸為18微米。鉭粉尺寸分布范圍為8微米至40微米，平均顆粒尺寸為18微米。
[0061](2)基體預(yù)處理:以一個外直徑為3厘米，長度為4厘米，厚度為0.5厘米的鋁合金管作為基體，如圖3中14，依次進行打磨除銹，熱堿除油，噴鋼砂，超聲丙酮清洗和烘干處理。
[0062](3)以氦氣作為送粉氣體，如圖1中2，壓力為1.8兆帕；以氦氣作為加速氣體，如圖1中5，壓力為2.8兆帕，溫度為800攝氏度;送粉速率為90克每分鐘；噴涂距離為30毫米(S卩圖1中6超音速噴槍與14管狀基體外表面之間的距離)，噴涂速率為80毫米每秒(即圖1中6的移動速率)。噴涂時控制基體管以一定的轉(zhuǎn)速繞中心軸旋轉(zhuǎn)，超音速噴槍以一定的速度在基體表面往復(fù)移動。噴涂次數(shù)為三次。
[0063]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金經(jīng)掃描電鏡觀察，截面氣孔含量低于2.78%。
[0064]實施例7
[0065]本實施例所述的鈦鋁硅合金包括以下原子百分比的成分:20%的鈦，30%的鋁，40%的硅，10%的鉭。
[0066]本實施例所述的鈦鋁硅合金的冷噴涂制備方法，包括以下步驟:
[0067](I)粉末混合:按原子百分比，將95.734克鈦粉、80.94克鋁粉、112.342克硅粉、180.948克鉭粉進行8小時機械混合。各原料粉末的純度均不低于于99.99%。鈦粉的尺寸分布范圍為14微米至45微米，平均顆粒尺寸為24微米。鋁粉的尺寸分布范圍為11微米至55微米，平均顆粒尺寸為19微米。硅粉的尺寸分布范圍為14微米至46微米，平均顆粒尺寸為18微米。鉭粉尺寸分布范圍為6微米至30微米，平均顆粒尺寸為18微米。
[0068](2)基體預(yù)處理:以一個外直徑為2厘米，長度為2厘米，厚度為0.4厘米的不銹鋼管作為基體，如圖3中14，依次進行打磨除銹，熱堿除油，噴鋼砂，超聲丙酮清洗和烘干處理。
[0069](3)以氦氣作為送粉氣體，如圖1中2，壓力為1.9兆帕；以氦氣作為加速氣體，如圖1中5，壓力為2.7兆帕，溫度為700攝氏度;送粉速率為94克每分鐘;噴涂距離為25毫米(S卩圖1中6超音速噴槍與14管狀基體外表面之間的距離)，噴涂速率為60毫米每秒(即圖1中6的移動速率)。噴涂時控制基體管以一定的轉(zhuǎn)速繞中心軸旋轉(zhuǎn)，超音速噴槍以一定的速度在基體表面往復(fù)移動。噴涂次數(shù)為三次。
[0070]本實施例所述的鈦鋁硅鉭合金經(jīng)掃描電鏡觀察，截面氣孔含量低于2.64%。
【主權(quán)項】
1.一種鈦鋁硅鉭合金材料，其特征在于:所述合金材料的組成按照原子百分比為:1%?97%的鈦，I %?97%的鋁，I %?50%的硅，I %?30%的鉭。2.權(quán)利要求1所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1.將原材料(包括鈦粉、鋁粉、硅粉和鉭粉)進行機械混合； 步驟2.對基體進行除銹、除油、噴砂、清洗、烘干、噴鹽等預(yù)處理； 步驟3.在保護氣氛(氦氣、氮氣等惰性氣體或它們的混合氣體)下進行冷噴涂制備。3.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟I中，原材料(包括鈦粉、鋁粉、硅粉和鉭粉)的顆粒形貌為球形或不規(guī)則形，或者球形與不規(guī)則形的混合體。4.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟I中，原材料(包括鈦粉、鋁粉、硅粉和鉭粉)的顆粒尺寸分布范圍為I微米至150微米，平均顆粒尺寸為:鈦粉5微米至75微米之間，鋁粉5微米至95微米之間，硅粉5微米至50微米之間，鉭粉4微米至60微米之間。5.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟2中，基體可以是金屬或合金，也可以是陶瓷、玻璃、塑料等。6.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟2中，基體可以是板狀，也可以是管狀、棒狀、圓筒狀、圓柱狀等形狀。7.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟2中，基體的除銹、除油包括可以采用機械除油、或化學(xué)除油等方法;噴砂可以采用白剛玉、棕剛玉、鋼砂或者碳化硅等顆粒;清洗為可以采用超聲清洗等方法。對希望獲得低界面結(jié)合強度的情況，基體預(yù)處理還應(yīng)包括噴鹽處理;對界面結(jié)合強度要求高的情況，基體預(yù)處理可選用預(yù)熱。8.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟3中，以氦氣、氮氣等惰性氣體或它們的混合氣體作為送粉氣體的壓力在0.5兆帕至4兆帕之間，作為加速氣體的壓力在0.6兆帕至4兆帕之間，溫度在110攝氏度至1090攝氏度之間。9.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟3中，冷噴涂鈦、鋁、硅、鉭混合粉末的送粉速率在5克每分鐘至400克每分鐘范圍內(nèi)。10.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟3中，冷噴涂過程的噴涂距離在5毫米至300毫米之間，噴槍掃描速率在5毫米每秒至150毫米每秒之間。11.如權(quán)利要求2所述的鈦鋁硅鉭合金材料的冷噴涂制備方法，其特征在于，在步驟3中，冷噴涂過程中粉末顆粒被加速至200米每秒至1300米每秒之間。
【文檔編號】C22C21/00GK105908047SQ201610322206
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】王瑩瑩, 唐鋆磊, 王虎
【申請人】西南石油大學(xué)