1.強電流加熱法
學者余鵬發(fā)明了一種通過大強度電流生產(chǎn)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(fā)熱,施以壓力,使鋁和鈦自身反應(yīng)形成鈦鋁合金靶材。該法制備得到的鈦鋁合金靶材產(chǎn)品的致密度>99%,晶粒尺寸≤100微米,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(chǎn)品致密度高,完全能滿足大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)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(dǎo)電、傳壓功效,應(yīng)具備良好的導(dǎo)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(wěn)定的大電流裝置是該制備方法的關(guān)鍵。
2.熱等靜壓燒結(jié)法
學者張鳳戈等發(fā)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(jīng)過裝粉和冷等靜壓預(yù)壓制、脫氣工藝后再進行熱等靜壓壓制成型,最后進行燒結(jié)和加工得到鈦鋁合金靶材。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(chǎn)品的致密度≥99%,純度>99%,晶粒尺寸≤100微米,最大規(guī)格尺寸可到1000mm。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(chǎn)業(yè)所需鈦鋁合金濺射靶材的主要方法。該法制備的靶材產(chǎn)品致密度高、尺寸規(guī)格范圍廣。但該法需要用到關(guān)鍵的壓制燒結(jié)設(shè)備——熱等靜壓燒結(jié)爐,該設(shè)備價格昂貴,導(dǎo)致制備得到的靶材產(chǎn)品,成本較高,難以進行工業(yè)化推廣。
3.熱壓燒結(jié)法
學者余琨等發(fā)明了一種鈦鋁合金靶材快速熱壓燒結(jié)成型工藝。該工藝使鈦鋁粉體在熱和力的共同作用下燒結(jié)成型,利用Ti—Al混合物中鋁的熔點低,將鈦粉粘結(jié)在一起,形成合金濺射靶材。熱壓燒結(jié)示意圖如圖2所示。鈦鋁合金濺射鍍膜靶材的研究進展2。png
該法制備得到的合金靶材致密度高(≥95%),晶粒尺寸細小(≤100微米),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(guī)模產(chǎn)業(yè)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(jié)成型,將冷壓成型+燒結(jié)兩步合并為一個步驟,可大大提高工藝效率。
該工藝對設(shè)備的要求較高,關(guān)鍵設(shè)備是熱壓燒結(jié)爐。制備的靶材以圓形合金靶材為主,直徑≤100mm。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(chǎn)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(jié)是鈦鋁合金濺射靶材最有潛力的制備技術(shù)。該技術(shù)工藝效率高,適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。然而用熱壓燒結(jié)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(chǎn)成本增加。鈦鋁合金燒結(jié)過程中,鈦屬于高熔點的硬質(zhì)相,鋁屬于粘接相。高鋁型鈦鋁合金粉末燒結(jié)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(jié)冷卻后脫模越困難。因此,高鋁型鈦鋁合金靶材的熱壓燒結(jié)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(jié)過程中的燒結(jié)溫度、升溫速率、熱壓壓力對產(chǎn)品最終的組織和性能都有很大的影響。其中燒結(jié)溫度太高,將導(dǎo)致固相燒結(jié)到液相燒結(jié)的過渡,使得高熔點硬質(zhì)相骨架坍塌,同時浪費動力能源,不利于降低成本;另外燒結(jié)溫度過高,會導(dǎo)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(xiàn)在濺射靶材上的侵蝕部表面上的凹凸增大,導(dǎo)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(fā)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(jié)溫度太低,會導(dǎo)致燒結(jié)不完全,靶材產(chǎn)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(qū)域先燒結(jié),導(dǎo)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。
綜上所述,熱壓燒結(jié)是鈦鋁合金濺射靶材最有潛力的制備技術(shù)。該技術(shù)工藝效率高,適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。而用該技術(shù)制備鈦鋁合金靶材需反復(fù)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(yōu)化燒結(jié)熱壓工藝條件(燒結(jié)溫度、升溫速率、熱壓壓力),提高生產(chǎn)效率,從而降低成本。隨著濺射鍍膜的快速增長,及在國內(nèi)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(shù)的研究,具有現(xiàn)實意義和極大的應(yīng)用前景。
