鈦鋁合金濺射鍍膜靶材的研究進展

陳 希,黃 蓉,鄔 曄

(湖南稀土金屬材料研究院,湖南長沙 410126)

鈦鋁合金濺射鍍膜靶材的研究進展

陳 希,黃 蓉,鄔 曄

(湖南稀土金屬材料研究院,湖南長沙 410126)

綜述了鈦鋁合金靶材的制備技術及存在的問題。熱等靜壓燒結法,成本較高,不適合廣泛推廣。熱壓燒結法工藝效率高,制備的靶材致密度好,成本較低,適合產業化生產。

鈦鋁合金;濺射靶材;制備方法

隨著人們環保意識的增強,材料的表面鍍膜技術由傳統的電鍍及化學鍍技術逐漸過渡到真空濺射鍍膜技術。真空磁控濺射鍍膜技術已經在五金裝飾鍍層、表面保護鍍層、電子產品鍍層、電磁屏蔽鍍膜以及汽車和建筑玻璃鍍膜領域得到了廣泛的應用[1]。因此,該領域對相關鍍膜靶材的需求也顯得極為迫切。

鈦鋁合金是一種真空鍍膜用合金濺射靶材,在該合金中通過調配鈦與鋁的含量可以獲得不同特性的鈦鋁合金靶材。鈦鋁金屬間化合物屬于硬脆材料,具有很好的耐磨性,在普通刀具表面覆著一層鈦鋁金屬間化合物,可以有效延長刀具的使用時間[2]。如配合氮氣放電起弧實施濺射,可以獲得高硬度低摩擦系數表面膜,特別適合各種刀具、模具和其它易損件的表面涂層,因此在機械加工行業具有較好的應用前景。

鈦鋁合金靶材的制備較困難。根據鈦鋁合金相圖,鈦和鋁之間可以形成多種金屬間化合物[3],導致鈦鋁合金存在加工脆性,特別是當合金中鋁含量超過50%(原子比)時,合金的抗氧化性驟然降低,氧化嚴重。同時,合金化過程中的放熱膨脹,極易產生氣泡、縮孔和縮松,導致合金的孔隙率高,無法滿足靶材致密度的要求。

1 濺射鍍膜工藝

1.1 濺射靶材

濺射靶材是指通過磁控濺射、多弧離子鍍或其他類型的鍍膜設備在適當工藝條件下濺射沉積在基板上形成各種功能薄膜的濺射源。濺射靶材廣泛應用于裝飾、工模具、玻璃、電子器件、半導體、磁記錄、平面顯示、太陽能電池等眾多領域,不同領域需要的靶材各不相同。按照生產方法濺射靶材可分為粉末靶、熔煉靶和噴涂靶;按照形狀可分為平面靶材和管狀靶材,平面靶材又可分為矩形靶和圓弧靶;根據成分可分為純金屬靶材、合金靶材、氧化物靶材、硅化物靶材等多個品種。

1.2 濺射鍍膜原理

用加速的離子轟擊固體表面,離子和固體表面原子交換動量,使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面,該過程即為濺射鍍膜。圖1為濺射鍍膜過程示意圖[4]。用靶材濺射沉積的薄膜致密度高,與基體之間附著性好。因此,濺射沉積已成為一種廣泛應用的薄膜制備技術。

圖1 濺射鍍膜示意圖

2 鈦鋁合金濺射靶制備技術

濺射合金靶材需要滿足純度、致密度、晶粒度、表面光潔度等要求[5]。其中純度、致密度及晶粒度與靶材制備工藝直接相關。

金屬合金制備通常采用的普通熔煉法。但鈦鋁合金的制備不適于采用該方法,主要原因如下:(1)鈦鋁合金熔煉過程易形成多種金屬間化合物,如Ti3Al、TiAl、TiAl2、TiAl3等,這些金屬間化合物的存在導致鈦鋁合金的加工脆性,特別是當合金中鋁含量超過50%(原子比),該問題尤為明顯;(2)熔煉工藝制備鈦鋁合金靶材,澆注過程中易產生氣泡、疏松和偏析,造成合金中成分與組織不均勻,導致靶材品質不穩定[6]。

根據國內外有關鈦鋁合金靶材的生產工藝研究報道,目前鈦鋁合金濺射靶材的主要制備技術有:強電流加熱法、熱等靜壓燒結法、熱壓燒結法。

2.1 強電流加熱法

學者余鵬發明了一種通過大強度電流生產鈦鋁合金靶材的方法。該法采用可獲得大電流的裝置,利用大電流使鈦粉和鋁粉發熱,施以壓力,使鋁和鈦自身反應形成鈦鋁合金靶材[7]。

該法制備得到的鈦鋁合金靶材產品的致密度＞99%,晶粒尺寸≤100μm,純度＞99%。鈦鋁合金靶材成分范圍為:鈦含量5%～75%(原子比),其余為鋁含量。該法成本低、產品致密度高,完全能滿足大規模產業化生產的要求。

該制備法中需要有可獲得大電流的裝置,裝置中的正負電極需要有導電、傳壓功效,應具備良好的導電性、強韌性及抗高溫軟化性等。因此,能否具備符合工藝要求、性能穩定的大電流裝置是該制備方法的關鍵。

2.2 熱等靜壓燒結法

學者張鳳戈等發明了一種鈦鋁合金靶材的粉末冶金制備方法。該法將鈦粉和鋁粉進行混料,然后經過裝粉和冷等靜壓預壓制、脫氣工藝后再進行熱等靜壓壓制成型,最后進行燒結和加工得到鈦鋁合金靶材[8]。

該法制備的鈦鋁合金靶材具有致密度高、無氣孔、無疏松和偏析、成分均勻、晶粒細小等特點。制備得到的鈦鋁合金靶材產品的致密度≥99%,純度＞99%,晶粒尺寸≤100μm,最大規格尺寸可到1 000 mm。鈦鋁合金靶材成分范圍為:鈦含量20%～80%(原子比),其余為鋁含量。

熱等靜壓制備法是目前制備鍍膜產業所需鈦鋁合金濺射靶材的主要方法。該法制備的靶材產品致密度高、尺寸規格范圍廣。但該法需要用到關鍵的壓制燒結設備——熱等靜壓燒結爐,該設備價格昂貴,導致制備得到的靶材產品,成本較高,難以進行工業化推廣。

2.3 熱壓燒結法

學者余琨等發明了一種鈦鋁合金靶材快速熱壓燒結成型工藝。該工藝使鈦鋁粉體在熱和力的共同作用下燒結成型,利用Ti-Al混合物中鋁的熔點低,將鈦粉粘結在一起,形成合金濺射靶材[9]。熱壓燒結示意圖如圖2所示。

圖2 熱壓燒結示意圖

該法制備得到的合金靶材致密度高(≥95%),晶粒尺寸細小(≤100μm),成分均勻。用該工藝可制備出不同成分的鈦鋁合金靶材。鈦鋁合金靶材成分范圍為:鈦含量25%～75%(原子比),其余為鋁含量。該工藝流程短、成本低、鍍膜效果好,能滿足大規模產業化要求。

該工藝的特點是在真空或保護氣氛中通過剛性模具來傳遞壓力,使材料在熱和力的共同作用下燒結成型,將冷壓成型+燒結兩步合并為一個步驟,可大大提高工藝效率。

該工藝對設備的要求較高,關鍵設備是熱壓燒結爐。制備的靶材以圓形合金靶材為主,直徑≤100 mm。此外,該工藝在制備鋁含量高的鈦鋁合金靶材時,存在脫模困難,模具使用壽命低的問題。每塊靶材制備過程都要消耗一套模具,使靶材生產成本增加。因而需選擇合適的脫模劑,來提高成品率及模具的利用率。

目前,熱壓燒結是鈦鋁合金濺射靶材最有潛力的制備技術。該技術工藝效率高,適合產業化生產。然而用熱壓燒結方式制備鈦鋁合金濺射靶材,存在脫模困難,模具使用壽命低的問題。每塊靶材制備過程都要消耗一套模具,使靶材生產成本增加。鈦鋁合金燒結過程中,鈦屬于高熔點的硬質相,鋁屬于粘接相。高鋁型鈦鋁合金粉末燒結過程中低熔點的鋁逐步熔化,能將鈦原子粘接在一起,最后形成合金靶材。然而鋁液與石墨模具的潤濕角是鈍角,鋁含量越多的鈦鋁合金,熱壓燒結冷卻后脫模越困難。因此,高鋁型鈦鋁合金靶材的熱壓燒結制備工藝中需要選擇合適的脫模劑,來提高成品率及模具的利用率。

此外,熱壓燒結過程中的燒結溫度、升溫速率、熱壓壓力對產品最終的組織和性能都有很大的影響[10]。其中燒結溫度太高,將導致固相燒結到液相燒結的過渡,使得高熔點硬質相骨架坍塌,同時浪費動力能源,不利于降低成本;另外燒結溫度過高,會導致晶粒長大及第二相的增多及長大,都將降低靶材的濺射鍍膜性能。如果靶材晶粒過大,則在濺射時消耗濺射表面,出現在濺射靶材上的侵蝕部表面上的凹凸增大,導致形成的合金膜的膜厚均勻性的下降、投入大電力時成為微小電弧異常放電的頻率增加、及隨之發生飛濺等問題。同時,第二相與基體相比,由于濺射效率差,容易以突起殘留,也會影響濺射成膜的均勻性。燒結溫度太低,會導致燒結不完全,靶材產品致密度低。熱壓過程中如升溫速率快,可提高工作效率,但由于部分區域先燒結,導致粘接相流動,造成靶材最終組織成分不均勻的問題。壓力較大也可提高效率,但同時使模具損耗嚴重,降低模具使用壽命[11]。

3 結 語

綜上所述,熱壓燒結是鈦鋁合金濺射靶材最有潛力的制備技術。該技術工藝效率高,適合產業化

生產。而用該技術制備鈦鋁合金靶材需反復試驗,選擇合適的脫模劑,提高成品率及模具的利用率,同時,需優化燒結熱壓工藝條件(燒結溫度、升溫速率、熱壓壓力),提高生產效率,從而降低成本。隨著濺射鍍膜的快速增長,及在國內逐步普及的趨勢,每年濺射鍍膜用靶材的市場需求量也在迅速增大。因此,對鈦鋁合金靶材制備技術的研究,具有現實意義和極大的應用前景。

[1] 金永中,劉東亮,陳建.濺射靶材的制備及應用研究[J].四川理工學院學報,2005,18(3):22-24.

[2] 努力古.濺射靶材的制備及發展趨勢[J].新疆有色金屬, 2008,5:55-56.

[3] 張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及其應用[M].北京:化學工業出版社,2005.52-53.

[4] 張之圣,白天,王秀宇.薄膜電阻器用磁控濺射高阻靶材[J].壓電與聲光,2009,31(5):661-663.

[5] J.Sarkar,P.McDonald,P.Gilman.Surface characteristics of titanium targets and their relevance to sputtering performance[J]. Thin Solid Films,2009,517:1970-1976.

[7] 余鵬.一種通過大強度電流生產鈦鋁合金靶材的方法[P].中國專利:200910044672.1,2010-09-08.

[8] 張鳳戈,姚偉,唐培新,等.一種鈦鋁合金靶材的粉末冶金制備方法[P].中國專利:200710303869.3,2008-07-09.

[9] 余琨,蔡志勇.一種鈦鋁合金靶材快速熱壓燒結成型工藝[P].中國專利:200910043144.4,2010-10-13.

[10] 張青來,賀繼弘.粉末冶金高純鉻和鉻合金濺射靶材燒結工藝研究[J].金屬成形工藝,2003,21(6):83-85.

[11] 王贊海,王星明,儲茂友,等.惰性氣體熱壓法制備W-Ti合金靶材研究[J].稀有金屬,2006,30(5):688-691.

Abstract:The preparation methods and existed problemsof the titanium-aluminum alloy sputtering target were reviewed.The hot isostati pressing method can not be applied widely in the industry for the high cost.The hotpress sintering approach can prepare alloy target with high density effectively,which can be extensively used in the commercial process.

Key words:titanium-aluminum alloy;sputtering target;preparation method

Development of Research on Titanium-Aluminum Alloy Sputtering Coating Target

CHEN Xi,HUANG Rong,WU Ye

(Hunan Rare Earth Metal&Material Research Institute,Changsha410126,China)

TG146.23

A

1003-5540(2012)01-0051-03

2012-01-08

陳希(1984-),女,工程師,主要從事輕合金材料研究。