专利名称：一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及材料科学，具体说就是一种金属/陶瓷微叠层材料及 其制备方法。
(二)
背景技术：
电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺是以电子束为热源的一种蒸 镀方法，几乎可以蒸发所有的物质。它具有沉积速率高，热效率高以 及制备过程污染低等特点。因此，目前已经被用作制备金属薄板的一 种方法。通常，EB-PVD薄膜在沉积材料的早期形核阶段会形成等轴 状的晶体结构，此后，随着薄膜厚度的增加，柱状晶结构变得越来越 明显。许多研究已经表明，在PVD薄膜的柱状晶结构中，通常包含 许多较大的晶间孔。即使这些柱状晶间的孔隙率可以通过调整沉积参 数而减小，PVD薄膜中柱状晶间的粘结依然是较弱的，裂纹很容易 沿着这竖直的晶界扩展，从而引发薄膜的失效。因此，在EB-PVD金 属薄板的拉伸断口上通常可以看到两个不同的断裂区。在早期沉积的 十几到几十微米的范围内，存在一个明显的韧性断裂区；而之后沉积 的薄板的大部分区域，发生的是沿柱状晶界的脆性断裂。这种脆性断 裂区的存在,是造成EB-PVD金属薄板力学性能不佳的一个重要原因。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决EB-PVD金属薄板强度低,易沿 柱状晶晶界发生脆性断裂问题，提高由EB-PVD技术制备的NiCoCrAl 金属薄板力学性能的金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的本发明的大层厚比的金属/陶瓷微 叠层材料是采用电子束物理气相沉积技术，通过电子枪交替蒸发金属 和陶瓷靶材来制备的。陶瓷层厚度为lpm，金属层厚度为10~35|im。 金属层和陶瓷层的体积分数比为10 35。所用的金属靶材为 Ni-20Co-12Cr-4Al(wt%)，陶瓷耙材为含8wt%Y203的Zr02 (YSZ)。
本发明一种金属/陶瓷微叠层材料的制备方法，工艺过程如下
(1)抽真空将4)1000mm的基板表面抛光，并在丙酮中超声波清洗10min，吹干后连接到位于工作室顶端的竖直旋转轴上。将 NiCoCrAl靶材和YSZ靶材分别放置于两个坩埚内，抽真空到10'3Pa。
(2) 加热基板采用辐射式加热器将基板加热至50(TC以上，排 放基板上所吸附的气体。同时烘烤真空室壁，以使吸附的气体在正式 蒸发前排放出来，保证蒸发过程中具有较高的真空度。然后采用断续 加热的方式调整基板温度和真空度。真空度稳定在10—3 10—2Pa之后， 使基板温度稳定在预定值±20°C范围内。
(3) 沉积剥离层为了防止高温合金薄板同基板发生粘结，在沉 积合金板之前，要先沉积脱模剂氟化钙，加热束流为0.3A。
(4) 沉积薄板采用两把电子枪交替蒸发陶瓷和金属靶材，通过 调节电子束电流的大小和熔池大小来控制两种锭料的蒸发量。沉积过 程中，基板绕竖直轴旋转，基板转速和温度保持恒定。
以前，人们制备金属/陶瓷微叠层材料的主要目的是想在陶瓷层 中插入韧性的金属层以改善陶瓷材料的脆性，因此，在这些微叠层材 料中的陶瓷层厚度通常大于或接近于金属层厚度，导致材料较脆。而 在本发明中，金属/陶瓷微叠层材料具有大层厚比，即金属层与陶瓷 层的厚度比和体积含量比很大，因此该材料能在很大程度上保持金属 材料的韧性好的特点。同时，叠层结构的存在，限制了金属层中柱状 晶的长大，减少了裂纹沿金属晶界扩展的可能性。因而，与单层 EB-PVD金属薄板相比，该微叠层材料中的金属层发生脆性沿晶断裂 的几率更小，金属层强度更高。另外，陶瓷层对金属层塑性变形的束 缚作用也有利于提髙金属层的强度。本发明制备出的金属层厚为 35fim的NiCoCrAl/YSZ微叠层材料，在室温、70(TC和IOO(TC时的 拉伸强度分别为674Mpa、 155MPa和21MPa，比用相同工艺参数制 备的单层NiCoCrAl薄板在同样温度下的拉伸强度分别提高了 4%、 10%和25%。金属层厚度为10(im的NiCoCrAl / YSZ微叠层材料在室 温、70(TC和1000。C时的拉伸强度分别为691Mpa、221MPa和42MPa， 比用相同工艺参数制备的单层NiCoCrAl薄板在同样温度下的拉伸强 度分别提高了 6%、 57%和148%。本发明所用的原料可从市场直接购 得。
图1为本发明金属层厚度为35pm的NiCoCrAl / YSZ微叠层材 料的室温拉伸断口的扫描电镜图2为本发明单层NiCoCrAl薄板的室温拉伸断口的扫描电镜
图3为本发明金属层厚度为10pm的NiCoCrAl / YSZ微叠层材料 的室温拉伸断口的扫描电镜图。 具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例l，结合图l、图2，本发明金属/陶瓷微叠层材料的制备 方法，工艺过程之一-
(1) 抽真空将小1000mm的基板表面抛光，并在丙酮中超声波 清洗10min，吹干后连接到位于工作室顶端的竖直旋转轴上。将 NiCoCrAl靶材和YSZ靶材分别放置于两个坩埚内，摆放妥当后，抽 真空到l(T3Pa。
(2) 加热基板采用辐射式加热器将基板加热至50(TC以上，排 放基板上所吸附的气体。然后采用断续加热的方式调整基板温度和真 空度。真空度稳定在1(^ 10,a之后，使基板温度稳定在650±20 。C范围内。同时，通过电机控制基板转速为6rpm。
(3) 沉积剥离层为了防止高温合金薄板同基板发生粘结，在沉 积合金板之前，要先沉积脱模剂氟化钙，蒸发束流为0.3A。
(4) 沉积薄板采用两把电子枪交替蒸发陶瓷和金属靶材。蒸发 金属耙材时电子束流被控制为1.9±0. 1A，每层沉积时间为15分钟； 蒸发陶瓷靶材时电子束流被控制为0.8±0. 1A，每层沉积时间为2分 钟。
经以上工艺制备得到的金属/陶瓷微叠层材料包含10层35微米 厚的NiCoCrAl层和10层1微米厚的YSZ层。它的室温拉伸强度为 674MPa，比用相同工艺参数制备的单层NiCoCrAl薄板的拉伸强度提 高了 4%。 70(TC时，它的拉伸强度为155MPa，比单层NiCoCrAl薄 板的强度提高了 10%。 IOO(TC时，它的拉伸强度为21MPa，比单层 NiCoCrAl薄板的强度提高了 25%。
它的室温拉伸断口的扫描电镜照片如图1所示。如图所示，这些金属层的上部仍存在沿柱状晶界断裂的区域。但与单层金属薄板的拉 伸断口 (见图2)相比，由于层厚的限制，这些沿晶断裂区所占的比 例较小，因此，柱状晶界对这些金属层强度的不利影响较小，这造成 该微叠层材料的强度比同样工艺制备的单层金属薄板的强度要大。然 而，由于该微叠层材料的金属层中存在脆性断裂区，因而，金属材料 的强度和韧性并不能得到充分的发挥。
实施例2，结合图1、图2、图3，本发明金属/陶瓷微叠层材料
的制备方法，工艺过程之二
(1) 抽真空将cH000mm的基板表面抛光，并在丙酮中超声波 清洗10min，吹干后连接到位于工作室顶端的竖直旋转轴上。将 NiCoCrAl靶材和YSZ靶材分别放置于两个坩埚内，摆放妥当后，抽 真空到l(T3Pa。
(2) 加热基板采用辐射式加热器将基板加热至50(TC以上，排 放基板上所吸附的气体。然后采用断续加热的方式调整基板温度和真 空度。真空度稳定在10-3 10,3之后，使基板温度稳定在650±20 匸范围内。同时，通过电机控制基板转速为6rpm。
(3) 沉积剥离层为了防止高温合金薄板同基板发生粘结，在沉 积合金板之前，要先沉积脱模剂氟化钙，蒸发束流为0.3A。
(4) 沉积薄板采用两把电子枪交替蒸发陶瓷和金属靶材。蒸发 金属靶材时电子束流被控制为1.9±0. 1A，每层沉积时间为8分钟； 蒸发陶瓷靶材时电子束流被控制为0.8±0. 1A，每层沉积时间为2分 钟。
经以上工艺制备得到的金属/陶瓷微叠层材料包含13层10微米 厚的NiCoCrAl层和13层1微米厚的YSZ层。它的室温拉伸强度为 691MPa，比用相同工艺参数制备的单层NiCoCrAl薄板的拉伸强度提 高了 6%。 70(TC时，它的拉伸强度为221MPa，比单层NiCoCrAl薄 板的强度提高了 57%。 IOO(TC时，它的拉伸强度为42MPa，比单层 NiCoCrAl薄板的强度提高了 148%。
它的室温拉伸断口的扫描电镜照片如图3所示。从图3中可以看 出，10微米的金属层断口上已经不存在沿晶断裂区。说明此时金属 晶界对金属层力学性能的影响已经不重要了，这是造成该微叠层材料的强度比单层金属薄板和金属层厚为35微米的微叠层材料的强度都 高的一个重要原因。另外，此时金属材料的韧性在这种尺度的微叠层 结构中也得到了充分的利用。
权利要求
1. 一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法，其特征在于所述的金属/陶瓷微叠层材料，是采用电子束物理气相沉积技术，通过电子枪交替蒸发金属和陶瓷靶材来制备的；陶瓷层厚度为1μm；金属层厚度为10～35μm；金属层和陶瓷层的体积分数比即层厚比为10～35；所用的金属靶材为Ni-20Co-12Cr-4Al(wt％)，陶瓷靶材为含8wt％ Y2O3的ZrO2(YSZ)。
2. —种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法，其特征在于所述的金 属/陶瓷微叠层材料制备方法，具体工艺过程如下(1) 抽真空将4)1000mm的基板表面抛光，并在丙酮中超声波 清洗10min，吹干后连接到位于工作室顶端的竖直旋转轴上；将 NiCoCrAl耙材和YSZ耙材分别放置于两个坩埚内，摆放妥当后，抽 真空到l(T3Pa;(2) 加热基板采用辐射式加热器将基板加热至50(TC以上，排 放基板上所吸附的气体；同时烘烤真空室壁，以使吸附的气体在正式 蒸发前排放出来，保证蒸发过程中具有较高的真空度；然后采用断续 加热的方式调整基板温度和真空度；真空度稳定在lt^ 10,a之后， 使基板温度稳定在预定值士2(TC范围内；(3) 沉积剥离层为了防止高温合金薄板同基板发生粘结，在沉 积合金板之前，要先沉积脱模剂氟化钙，厚度为5-IO微米，加热束 流为0.3A;(4)沉积薄板采用两把电子枪交替蒸发陶瓷和金属靶材，通过 调节电子束电流的大小和熔池大小来控制两种锭料的蒸发量；沉积过 程中，基板绕竖直轴旋转，基板转速和温度保持恒定。
全文摘要
本发明提供一种金属/陶瓷微叠层材料及其制备方法。采用电子束物理气相沉积技术，通过电子枪交替蒸发金属和陶瓷靶材来制备的。陶瓷层厚度为1μm，金属层厚度为10～35μm。金属层和陶瓷层的体积分数比即厚度即层厚比为10～35。所用的金属靶材为Ni-20Co-12Cr-4Al(wt％)，陶瓷靶材为含8wt％Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的ZrO<sub>2</sub>(YSZ)。金属/陶瓷微叠层材料具有大层厚比，因此该材料能在很大程度上保持金属材料的韧性好的特点。同时，叠层结构的存在，限制了金属层中柱状晶的长大，减少了裂纹沿金属晶界扩展的可能性。与单层EB-PVD金属薄板相比，该微叠层材料中的金属层发生脆性沿晶断裂的几率更小，金属层强度更高。
文档编号C23C14/08GK101413101SQ20081020952
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者史国栋, 军 梁, 陈贵清 申请人:哈尔滨工业大学