目(mu)前,刀具涂(tu)层(ceng)工艺(yi)通(tong)常(chang)为采用多(duo)弧(hu)离子(zi)镀膜(mo)方(fang)式或磁(ci)控溅射(she)镀膜方(fang)式(shi)在(zai)固体(ti)阴极靶材上蒸发金属，沉积在刀具基(ji)体(ti)上(shang)形成(cheng)膜层，其(qi)膜层(ceng)从(cong)TiC、TiN二元(yuan)模(mo)式(shi)发(fa)展(zhan)为(wei)以Ti、N为(wei)主要元(yuan)素的(de)多元(yuan)复合膜(mo)层。TiAlN膜(mo)层(ceng)是在Ti、N二元膜(mo)层(ceng)的(de)基(ji)础上(shang)发(fa)展起(qi)来的(de)一(yi)种(zhong)三元复合(he)膜(mo)层，随(sui)Al元(yuan)素(su)的(de)存在，面(mian)心(xin)立方结(jie)构的TiN中部(bu)分Ti原子(zi)被半径较小的(de)Al原子
替代，产(chan)生(sheng)晶(jing)格畸(ji)变(bian)[1-2]，从(cong)而显著提(ti)升(sheng)膜(mo)层的硬度(du)、耐(nai)磨性、耐高(gao)温氧化(hua)性。随(sui)TiAlN涂(tu)层的应用，刀具(ju)的寿(shou)命有(you)了(le)较(jiao)大(da)提升(sheng)，强有力(li)地推(tui)动了(le)高速(su)、高精度(du)机加(jia)工领域的(de)发(fa)展(zhan)。
对(dui)于TiAlN膜层，人们研究(jiu)的重点(dian)主(zhu)要(yao)集(ji)中(zhong)于(yu)与(yu)镀(du)膜(mo)设备相关(guan)的(de)镀膜(mo)工艺[3-5]、靶材元素比例[6-7]、靶材的主要加热压(ya)制类(lei)别等(deng)[8]，而对原料(liao)粉(fen)末(mo)的预(yu)处(chu)理(li)工(gong)艺上(shang)很(hen)少有(you)企(qi)业(ye)进(jin)行严格的(de)控(kong)制，也(ye)少有人(ren)进(jin)行(xing)相(xiang)应的(de)研(yan)究(jiu)。本(ben)文使用(yong)氢(qing)化(hua)脱氢Ti粉(fen)、氮(dan)气雾(wu)化(hua)Al粉(fen)两种(zhong)原(yuan)料(liao)，在(zai)传统HIP工艺(yi)（混粉(fen)-除气(qi)-HIP）基(ji)础上(shang)增(zeng)加(jia)粉末预处理工(gong)艺(yi)，调(diao)整(zheng)粉(fen)末(mo)预(yu)处(chu)理(li)工艺(yi)中(zhong)的(de)原(yuan)料球磨时(shi)间，研(yan)究(jiu)粉末预(yu)处(chu)理(li)工(gong)艺对(dui)AlTi合(he)金的(de)氧含(han)量及Al基(ji)体晶粒尺寸的(de)影(ying)响。
1、试验(yan)材(cai)料(liao)与方(fang)法
试验(yan)所(suo)用原料(liao)Ti粉为80目(mu)的氢(qing)化脱(tuo)氢Ti粉(fen)，纯度(du)为(wei)99.9wt%（粉(fen)末(mo)的纯(chun)度一般(ban)是指(zhi)固(gu)体杂质含量），氧(yang)含(han)量为(wei)0.32wt%；试(shi)验(yan)所(suo)用(yong)原(yuan)料(liao)Al粉(fen)为(wei)80目的(de)氮(dan)气(qi)雾化(hua)Al粉、纯(chun)度(du)为99.9wt%、氧含量为0.25wt%。
粉末预(yu)处理工艺1-球磨工艺(yi)：将氧化(hua)锆球和(he)原(yuan)料(liao)Ti粉按照重量(liang)比4∶1的(de)比例(li)放入可(ke)倾(qing)式球磨机(ji)罐体中(zhong)，充(chong)入(ru)氩(ya)气(qi)并(bing)加入(ru)异丙醇进行(xing)球(qiu)磨，球(qiu)磨(mo)时间为(wei)2h；以(yi)同样(yang)方(fang)式对Al粉(fen)进行(xing)球(qiu)磨。粉末(mo)预处(chu)理(li)工艺(yi)2-离心(xin)分离(li)工(gong)艺(yi)：分别(bie)将(jiang)球(qiu)磨过后(hou)的Ti粉和(he)Al粉用异(yi)丙醇(chun)冲(chong)出，使(shi)粉末(mo)与(yu)陶瓷(ci)球分离(li)；将Ti粉、Al粉分别(bie)放入(ru)离(li)心分(fen)离机中，分(fen)离(li)得到(dao)Ti粉(fen)和(he)Al粉(fen)。
粉(fen)末预处(chu)理工艺(yi)3-混合(he)工艺：将离心分离出(chu)的Al粉(fen)和(he)Ti粉按(an)照原(yuan)子(zi)比33∶67的(de)比例(li)放入(ru)三(san)维混合机(ji)中(zhong)，在(zai)氩气保护(hu)环境(jing)下(xia)混(hun)粉2h，在(zai)氩(ya)气保(bao)护下出粉(fen)并装入包套(tao)。热等(deng)静压(ya)工艺：将(jiang)包套抽(chou)真空后放(fang)入热(re)等(deng)静压(ya)机中(zhong)进(jin)行压(ya)制成形(xing)，压制工艺为压力(li)150MPa、温度400℃、时间(jian)2h。
同一(yi)批(pi)AlTi合(he)金(jin)制备的(de)球(qiu)磨工(gong)艺设置(zhi)相(xiang)同(tong)的(de)球磨机转速参(can)数(shu)，经(jing)过(guo)粉末(mo)预处理工(gong)艺的(de)TiAl合金(jin)共(gong)制(zhi)作3个(ge)批次，球(qiu)磨(mo)机(ji)转速(su)分(fen)别(bie)为(wei)100、200、300r/min。使(shi)用(yong)氮(dan)氧(yang)分析仪检(jian)测热(re)等(deng)静压(ya)AlTi合(he)金(jin)样品的(de)氧(yang)含(han)量，使(shi)用(yong)金(jin)相(xiang)显(xian)微(wei)镜和(he)扫描电(dian)镜检(jian)测(ce)热(re)等静(jing)压AlTi合(he)金(jin)样品的(de)组(zu)织(zhi)形(xing)貌。
2、试(shi)验(yan)结果(guo)及(ji)讨论
2.1粉末(mo)预处理(li)工(gong)艺(yi)对(dui)氧含(han)量及(ji)致(zhi)密(mi)度的影(ying)响(xiang)
不(bu)同(tong)粉(fen)末(mo)与处理工(gong)艺下(xia)经(jing)热等(deng)静压(ya)所(suo)得的AlTi合(he)金(jin)组(zu)织氧含(han)量(liang)及致(zhi)密(mi)度情(qing)况(kuang)如表1所示，其中不经(jing)粉末(mo)预处(chu)理(li)工艺(yi)的AlTi合金(jin)在球(qiu)磨(mo)转(zhuan)速(su)一栏标(biao)记(ji)为0。随着(zhe)球(qiu)磨预(yu)处理(li)工(gong)艺(yi)中(zhong)转(zhuan)速(su)的(de)提升，所得(de)AlTi合金的(de)氧含(han)量逐渐(jian)降低(di)。转(zhuan)速提升(sheng)到300r/min时的(de)靶(ba)材(cai)氧(yang)含(han)量(liang)与不经(jing)预处理(li)工(gong)艺时(shi)的(de)靶材(cai)氧含(han)量(liang)降低(di)了58.6%，效(xiao)果(guo)较(jiao)为(wei)显著。由于Ti、Al两(liang)种金属(shu)化学性(xing)质较(jiao)为活(huo)泼，在(zai)储存过(guo)程(cheng)中(zhong)易(yi)在粉(fen)末颗粒表面形成一(yi)层(ceng)脆(cui)性(xing)氧(yang)化(hua)膜(mo)。Ti颗粒(li)较(jiao)硬较脆，颗(ke)粒边(bian)界(jie)的(de)棱(leng)角和颗粒(li)表层(ceng)的(de)氧化膜(mo)在(zai)球磨(mo)过程中经受(shou)撞(zhuang)击(ji)会(hui)发生(sheng)破(po)碎并(bing)脱(tuo)落(luo)；Al由(you)于(yu)塑(su)性(xing)较(jiao)好(hao)，其粉末表(biao)层(ceng)的(de)氧化膜在(zai)脱(tuo)落(luo)的同时还(hai)可(ke)能被挤压(ya)进颗粒内(nei)部。这种脆性氧化膜(mo)经过(guo)球磨破(po)碎，与(yu)原始(shi)粉末逐渐脱离开(kai)，再(zai)经(jing)离心(xin)分(fen)离(li)工(gong)艺(yi)随(sui)着(zhe)异丙醇一(yi)起(qi)排(pai)出(chu)，从而(er)降(jiang)低了Ti、Al两(liang)种粉末(mo)的氧含量。
当靶材(cai)致密(mi)化程度低时，即靶(ba)材组织(zhi)孔(kong)洞(dong)数(shu)量(liang)多时，靶(ba)材(cai)的力(li)学(xue)加(jia)工性能会变(bian)差，靶材在镀(du)膜过(guo)程(cheng)中的(de)开裂(lie)趋势会增(zeng)加(jia)。在(zai)多弧(hu)离(li)子(zi)镀膜(mo)过程(cheng)中(zhong)，这些(xie)孔(kong)洞周(zhou)围的(de)材料(liao)融(rong)化时(shi)会受(shou)热急剧(ju)膨胀出现(xian)“爆炸”现象(xiang)[9]，使(shi)周(zhou)围(wei)的(de)金属以大液(ye)滴(di)的形(xing)式(shi)离开靶(ba)材(cai)表面(mian)，当(dang)这些(xie)大液滴(di)沉(chen)积(ji)到(dao)生长(zhang)着(zhe)的刀(dao)具(ju)表面(mian)膜层时会(hui)形成大(da)颗(ke)粒(li)，恶化(hua)刀具表面膜(mo)层的(de)性(xing)能，从(cong)而影(ying)响刀具的切(qie)削性能和(he)使(shi)用寿(shou)命(ming)。未经(jing)粉末预处(chu)理工艺(yi)制备的(de)靶材组织与球(qiu)磨转(zhuan)速(su)为(wei)100r/min时的粉末(mo)预(yu)处(chu)理工(gong)艺(yi)制备(bei)的(de)靶(ba)材(cai)组织对(dui)比如(ru)图(tu)1所示。当(dang)原(yuan)材料(liao)氧(yang)含量(liang)较多(duo)时(shi)，HIP压(ya)制时(shi)的致密(mi)化(hua)过(guo)程会(hui)受(shou)到(dao)影(ying)响(xiang)，靶(ba)材(cai)组(zu)织(zhi)容(rong)易(yi)被这(zhe)些(xie)氧(yang)化(hua)膜(mo)隔(ge)离开(kai)，形成(cheng)部(bu)分(fen)孔洞(dong)。增加粉(fen)末预处(chu)理(li)工艺(yi)使制备(bei)的(de)靶(ba)材组织的(de)孔(kong)洞数(shu)量明(ming)显降(jiang)低(di)，致密(mi)化程度(du)有(you)了(le)较明(ming)显的改(gai)善。
2.2对显微(wei)组(zu)织(zhi)的影响(xiang)
经热(re)等静(jing)压所(suo)得的AlTi合(he)金(jin)中(zhong)Al相(xiang)的显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)如(ru)图(tu)2所(suo)示(shi)。未(wei)经球磨(mo)工(gong)艺(yi)处理的(de)试样(yang)Al基体(ti)晶粒较(jiao)为粗(cu)大，经过球(qiu)磨(mo)工艺(yi)处(chu)理(li)后Al基(ji)体的晶粒变(bian)得(de)细(xi)小(xiao)，且随(sui)着球(qiu)磨(mo)转(zhuan)速的增(zeng)加(jia)晶粒(li)逐(zhu)渐变(bian)得(de)细(xi)小(xiao)均匀。未(wei)经粉末预(yu)处(chu)理(li)工(gong)艺(yi)的Al基(ji)体(ti)平(ping)均(jun)晶粒(li)尺寸(cun)一(yi)般(ban)大(da)于10μm，当(dang)粉(fen)末(mo)预(yu)处理(li)工艺(yi)中(zhong)球磨(mo)机(ji)转速达(da)到(dao)300r/min时(shi)靶材中Al基(ji)体(ti)的平均晶粒尺(chi)寸可(ke)达(da)到2μm，晶(jing)粒细(xi)化(hua)效果非(fei)常明(ming)显，这(zhe)对(dui)提高靶(ba)材(cai)的镀(du)膜(mo)工(gong)艺(yi)性能(neng)有帮助(zhu)。靶材(cai)中(zhong)Al基(ji)体的微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)状态(tai)受(shou)球(qiu)磨(mo)和热(re)等静压(ya)两个工艺的复(fu)合影响，在热(re)等(deng)静压(ya)工(gong)艺(yi)稳定的(de)情况下(xia)，球磨(mo)转(zhuan)速的不(bu)同对(dui)Al基(ji)体(ti)组织的影(ying)响(xiang)占据(ju)决(jue)定(ding)性因(yin)素。
在整(zheng)个(ge)AlTi合金(jin)制备(bei)工艺(yi)中，Al粉在球(qiu)磨时(shi)由于(yu)互(hu)相碰(peng)撞(zhuang)会(hui)产生(sheng)塑性变形(xing)；热等静压(ya)时，在(zai)压力(li)150MPa和温度(du)400℃的综(zong)合作用(yong)下，Al颗(ke)粒(li)发(fa)生(sheng)塑(su)性(xing)变形并填(tian)充Ti颗粒(li)周(zhou)围(wei)不规则(ze)的(de)区域，在此(ci)过程中(zhong)Al会(hui)发生回复(fu)和再(zai)结(jie)晶(jing)行(xing)为(wei)。整(zheng)个(ge)AlTi合金的(de)制备过(guo)程，主(zhu)要(yao)目的之(zhi)一(yi)就(jiu)是(shi)细(xi)化(hua)Al基体(ti)相(xiang)的(de)晶粒，主(zhu)要表(biao)现(xian)为热等(deng)静压过(guo)程中的再结晶(jing)行为(wei)。其中(zhong)热等(deng)静(jing)压过程提供的(de)应(ying)变能是(shi)一致(zhi)的，球磨给(gei)予(yu)Al颗粒的应变能对(dui)促进热等静(jing)压(ya)中的再(zai)结(jie)晶(jing)行(xing)为起(qi)到(dao)了决定性(xing)作(zuo)用(yong)。
3、结论(lun)
（1）在传统(tong)热等(deng)静(jing)压工艺(yi)前(qian)添(tian)加(jia)转(zhuan)速(su)为300r/min的球(qiu)磨工艺，离(li)心(xin)分(fen)离工艺，获(huo)得(de)了低(di)氧(yang)含量、高致(zhi)密度、细(xi)Al晶(jing)粒(li)的(de)铝(lv)钛合金(jin)靶材(cai)制备(bei)方(fang)法(fa)，氧(yang)含量可控制(zhi)到(dao)0.12wt%的水平(ping)，致(zhi)密度达99.9%，Al基(ji)体晶(jing)粒尺(chi)寸可控(kong)制(zhi)到(dao)2μm的(de)水(shui)平(ping)。
（2）随粉(fen)末预处理工(gong)艺中(zhong)球磨(mo)转(zhuan)速的提升(sheng)，Ti颗(ke)粒(li)和Al颗粒(li)表(biao)面(mian)的(de)脆(cui)性(xing)氧(yang)化物(wu)破碎(sui)脱落的程(cheng)度(du)逐渐增加(jia)，所制(zhi)备(bei)AlTi合(he)金的氧(yang)含量(liang)逐渐(jian)降(jiang)低，致密度(du)逐(zhu)步(bu)提升(sheng)。
（3）随粉末预(yu)处(chu)理(li)工(gong)艺(yi)中球(qiu)磨(mo)转速(su)的(de)提(ti)升，Al粉(fen)中(zhong)的(de)应(ying)变能逐(zhu)渐(jian)提高(gao)，为(wei)热等静压(ya)过程(cheng)中(zhong)Al相的再(zai)结晶(jing)行为(wei)提(ti)供了(le)更大(da)驱动(dong)力(li)，使(shi)铝钛合(he)金(jin)中Al基体晶(jing)粒(li)更(geng)加(jia)细(xi)小均匀(yun)。
参(can)考文献(xian)：
[1]Escudeirosantana A， Karimi A， Derflinger V H， et al．The role of hcp-AlN on hardness behavior of TiAlN nanocomposite during annealing[J]．Thin Solid Films，2004，469：339-344．
[2]Kim G S， Lee S Y， Hahn J H．Properties of TiAlN coatings synthesized by closed-field unbalanced magnetron sputtering [J]．Surface & Coatings Technology，2005，193(1/3)：213-218．
[3]Zywitzki O， Klostermann H， Fietzke F， et al．Structure of superhard nanocrystalline (Ti,Al)N layers deposited by reactive pulsed magnetron sputtering
[J]．Surface & Coatings Technology，2006，200(22/23)：6522-6526．
[4]Recco A A C， Oliveira I C， Massi M， et al．Adhesion of reactive magnetron sputtered TINx and TICy coatings to AISI H13 tool steel [J]．Surface & Coatings Technology，2007，202(4/7)：1078-1083．
[5]Devia D M， Restrepo Parra E， Velez-Restrepo J M．Structural and morphological properties of titanium aluminum nitride coatings produced by triode magnetron sputtering [J]. Ingeniería Y Ciencia Ing Cienc，2014，10(20)：51-64．
[6]Schalk N， Weirather T， Polzer C， et al．A comparative study on Ti1-xAlxN coatings reactively sputtered from compound and from mosaic targets
[J]．Surface & Coatings Technology， 2011，205(19)：4705-4710．
[7]Esguerra-Arce A， Arce J E， Yate L， et al．Influence of the Al content on the in vitro bioactivity and biocompatibility of PVD Ti1-xAlxN coatings for orthopedic applications [J]．Rsc Advances，2016，6(6)：60756．
[8]梁俊(jun)才(cai)，周武平，张凤(feng)戈，等(deng)．溅射靶材对(dui) TiAlN 涂层(ceng)形貌、结构和力(li)学(xue)性能(neng)的影响(xiang)[J]．真(zhen)空科学(xue)与技术学(xue)报，2014，34(7)：714-719．
[9]Boxman R L， Goldsmith S．Macroparticle contamination in cathodic arc coatings：generation，transport and control [J]. Sur-face & Coatings Technology，1992，52(1)：39-50．
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