近年來(lái)，隨著材料表面工程學(xué)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的表面涂層技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中濺射鍍膜工藝因其具有沉積速率快、操控容易、穩(wěn)定性高、可大面積成膜等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于五金裝飾鍍層、電子產(chǎn)品鍍層、汽車及建筑等領(lǐng)域中[1，2]。濺射靶材的性能會(huì)直接影響薄膜的綜合質(zhì)量，因此對(duì)靶材制備工藝的研究尤為重要。

鈦鋁合金具有密度低、耐熱性好、高耐磨和高溫抗氧化性好等性能[3－5]，常常用于刀具、模具等硬質(zhì)合金的涂層。鈦和鋁之間可以形成多種金屬間化合物，導(dǎo)致鈦鋁合金存在加工脆性，尤其當(dāng)鋁元素的原子含量大于50％時(shí)，合金的抗氧化能力降低，合金化時(shí)極易產(chǎn)生氣泡，降低靶材的致密度。這些問(wèn)題的存在都極大地增加了鈦鋁靶材的制備難度[６，７]，但國(guó)內(nèi)外關(guān)于對(duì)鈦鋁靶材制備工藝的系統(tǒng)研究較少。本文采用熱等靜壓工藝制備鈦鋁合金靶材，重點(diǎn)研究熱等靜壓燒結(jié)溫度(1150~1350℃)對(duì)鈦鋁靶材致密度、晶粒尺寸、硬度等性能的影響，該研究對(duì)后續(xù)鈦鋁靶材制備工藝的發(fā)展起到了一定的指導(dǎo)意義。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)原材料

采用純度均為99.99％的鈦粉和鋁粉作為原料粉，鈦和鋁的原子比為1∶1，兩者的平均粒徑D50分別為６0μm和80μm。熱等靜壓燒結(jié)過(guò)程中選用鋼包套。

1.2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將鈦粉和鋁粉放入Ｖ型混料機(jī)混合均勻，轉(zhuǎn)速80r/min，混料時(shí)間為10ｈ。將混合均勻的鈦鋁粉裝入特制的橡膠包套中先進(jìn)行冷等靜壓，保壓壓力為180MPa，保壓時(shí)間為3ｍｉｎ，得到致密度為52％的鈦鋁素坯，之后將素坯裝入特制的鋼包套中，包套密封前先進(jìn)行抽真空排氣(圖1(ａ))。將排氣完成后的鋼包套放置于熱等靜壓爐中進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為1150℃、1250℃、1350℃，保壓壓力為130MPa，保壓時(shí)間為2ｈ。熱等靜壓結(jié)束后包套(圖1(ｂ))采用機(jī)械切割方法剝離得到鈦鋁靶材。

1.3　材料表征

采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的ＵｌｔｉｍａＩＶ型Ｘ射線衍射儀(XRD)來(lái)分析靶材物相。采用美國(guó)ＦＥＩ公司生產(chǎn)的Ｑｕａｎｔａ250ＦＥＧ型掃描電子顯微鏡(SEM)來(lái)觀察靶材微觀形貌。通過(guò)ＮａｎｏＭｅａｓｕｒｅｒ軟件分析測(cè)量高分辨率的SEM圖，選取120個(gè)左右晶粒測(cè)量平均值，得到鈦鋁靶材的平均晶粒尺寸。采用日本ＪＥＯＬ公司生產(chǎn)的ＪＸＡ8530Ｆ的電子探針(EPMA)檢測(cè)靶材元素分布狀況。采用上海研潤(rùn)光機(jī)科技公司生產(chǎn)的ＨＶ50Ｚ型硬度計(jì)測(cè)量靶材的維氏硬度，正四棱錐金剛石壓頭，載荷為5kg，加載時(shí)間為15ｓ，每個(gè)樣品測(cè)量?jī)纱危∑淦骄怠２捎冒⒒椎屡潘y(cè)量靶材密度。

2、結(jié)果與討論

2.1　燒結(jié)溫度對(duì)靶材物相的影響

圖2分別為燒結(jié)溫度1150℃、1250℃、1350℃條件下鈦鋁靶材的Ｘ射線衍射圖。由圖可知，三種鈦鋁靶材的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片為６50４28的TiAl衍射峰一致，并沒(méi)有其他物相出現(xiàn)，說(shuō)明燒結(jié)溫度在1150℃以上時(shí)，鈦和鋁兩種物質(zhì)完全形成合金化組織TiAl，熱等靜壓燒結(jié)過(guò)程中的高溫高壓條件推動(dòng)了反應(yīng)向合金穩(wěn)定相發(fā)展[8]。

2.2　燒結(jié)溫度對(duì)靶材相對(duì)密度的影響

圖3為不同燒結(jié)溫度下鈦鋁靶材的相對(duì)密度。

由圖可知，在燒結(jié)溫度為1150℃、1250℃、1350℃時(shí)，鈦鋁靶材的相對(duì)密度分別為98.35％、99.７2％和99.80％。由于燒結(jié)溫度1150℃過(guò)低，靶材并沒(méi)有達(dá)到致密化。當(dāng)燒結(jié)溫度高于1250℃時(shí)，靶材幾乎達(dá)到完全致密。當(dāng)溫度繼續(xù)增加到1350℃，致密度增加不大。致密度較低的靶材在濺射過(guò)程中，靶材表面會(huì)產(chǎn)生很多“瘤狀”突起物，這種現(xiàn)象稱之為靶材毒化，靶材“中毒”會(huì)降低鍍層的性能，從而影響刀具模具的使用壽命，同時(shí)密度較低的靶材會(huì)增加鍍膜過(guò)程中靶材開(kāi)裂的概率[9－11]。因此，通過(guò)制定合理的工藝參數(shù)提高鈦鋁靶材致密度的研究是十分重要的。

2.3　燒結(jié)溫度對(duì)靶材晶粒尺寸的影響

圖４為不同燒結(jié)溫度下鈦鋁靶材的表面微觀組織圖以及對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸分布圖。由圖可知，燒結(jié)溫度為1150℃、1250℃、1350℃時(shí)靶材的平均晶粒尺寸分別為７1.1７μm、７8.７0μm和8６.89μm。隨著燒結(jié)溫度的提高，靶材的平均晶粒尺寸不斷增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為1150℃時(shí)，材料表面存在大量微小孔洞，導(dǎo)致靶材致密度較低，在該溫度條件下，體積擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散機(jī)制對(duì)燒結(jié)體起到收縮作用，晶粒開(kāi)始正常生長(zhǎng)，氣孔不斷縮小，但由于燒結(jié)溫度較低，這些氣孔并不能通過(guò)物質(zhì)遷移機(jī)制排出體外[12]。當(dāng)燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)，該階段致密化過(guò)程基本完成。當(dāng)燒結(jié)溫度繼續(xù)提高至1350℃時(shí)，孔隙數(shù)量的減少會(huì)減弱對(duì)晶界的釘扎作用，晶界的遷移速度加快，開(kāi)始“自由”運(yùn)動(dòng)，晶界與孔隙脫鉤，致使該階段的燒結(jié)體致密度幾乎保持不變，晶粒尺寸異常長(zhǎng)大[13]，這一機(jī)理同樣解釋了圖2延長(zhǎng)燒結(jié)溫度可以提高靶材致密度的現(xiàn)象[1４]，但是晶粒過(guò)大的靶材不僅會(huì)降低薄膜的沉積效率，還會(huì)降低薄膜表面的均勻性，只有燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)才能制備出致密化細(xì)晶的TiAl靶材。

根據(jù)Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程[15]，晶粒生長(zhǎng)速率ｋ如式(1)所示:

式中，ｋ0為常數(shù)，Ｑ為晶粒長(zhǎng)大激活能，Ｒ為氣體常數(shù)(Ｒ＝8.31４Ｊ/ｍｏｌ/Ｋ)，Ｔ為燒結(jié)溫度。通過(guò)式(1)得知，晶粒生長(zhǎng)速率與燒結(jié)溫度Ｔ成正比，燒結(jié)溫度促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大主要是由于晶界遷移速率加快。根據(jù)晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程，如式(2)所示:

式中，D為晶粒尺寸，ｔ為燒結(jié)時(shí)間，ｎ為晶粒指數(shù)，取決于燒結(jié)過(guò)程中的物質(zhì)輸運(yùn)機(jī)制，晶格擴(kuò)散控制型ｎ＝3，晶界擴(kuò)散控制型ｎ＝４[1６]，通過(guò)2.2、2.3節(jié)分析，本實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)下的鈦鋁靶材的晶粒指數(shù)為４。對(duì)式(2)等式兩邊取對(duì)數(shù)得式(3):

式中，D0為初始晶粒尺寸，因?yàn)镈0<<Dｔ，D0可忽略不計(jì)。通過(guò)式(3)可以看出，晶粒尺寸和燒結(jié)溫度為線性關(guān)系函數(shù)，分別將晶粒尺寸和燒結(jié)溫度的數(shù)值帶入公式(3)中，通過(guò)計(jì)算出直線斜率(圖5)可以得到靶材晶粒長(zhǎng)大激活能為７６.４ＫＪ/ｍｏｌ。

2.４　燒結(jié)溫度對(duì)靶材硬度的影響

圖６為不同燒結(jié)溫度下鈦鋁靶材的硬度表面壓痕形貌圖，具體測(cè)量值見(jiàn)表1。經(jīng)測(cè)量分析，燒結(jié)溫度為1150℃、1250℃、1350℃時(shí)靶材的平均維氏硬度分別為3７8ＨＶ、399.７ＨＶ、395.2ＨＶ，維氏硬度隨著燒結(jié)溫度的提高先增大后減小。當(dāng)燒結(jié)溫度從1150℃提高至1250℃時(shí)，鈦鋁靶材達(dá)到致密化，維氏硬度大幅度增加。繼續(xù)升高燒結(jié)溫度，出現(xiàn)硬度降低的情況，主要是由于靶材晶粒尺寸異常長(zhǎng)大導(dǎo)致的，晶粒細(xì)化可以有效的提高材料常溫下的硬度[1７]，這一現(xiàn)象也與Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ關(guān)系式相符合[18，19]，靶材過(guò)燒降低了其力學(xué)性能。靶材在濺射過(guò)程中會(huì)受到高速粒子的轟擊，這就要求靶材要具有良好的力學(xué)性能，硬度高的靶材可以提高靶材的使用壽命和利用率[20－22]。

綜上所述，當(dāng)燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)所制備出的鈦鋁靶材綜合性能最好，將該溫度條件下的鈦鋁靶材進(jìn)行電子探針?lè)治?圖７)，可以看出，經(jīng)過(guò)1250℃高溫?zé)Y(jié)后，Ｔｉ元素、Ａｌ元素呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，符合靶材應(yīng)用要求。

3、結(jié)論

(1)采用熱等靜壓工藝制備高性能鈦鋁靶材，當(dāng)熱等靜壓燒結(jié)溫度高于1150℃，鈦和鋁完全形成合金化組織TiAl相。

(2)鈦鋁靶材的致密度和晶粒尺寸隨著燒結(jié)溫度的升高而增大，致密度從98.35％提高至99.80％，晶粒尺寸從７1.1７μm增大至8６.89μm。

(3)隨著燒結(jié)溫度的升高，靶材的維氏硬度先增大后減小，在燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)維氏硬度有最大值為399.７ＨＶ，且該溫度條件下制備的靶材元素分布均勻。

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