隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，材料的表面鍍膜技術(shù)由傳統(tǒng)的電鍍及化學(xué)鍍技術(shù)逐漸過渡到真空濺射鍍膜技術(shù)。真空磁控濺射鍍膜技術(shù)已經(jīng)在五金裝飾鍍層、表面保護(hù)鍍層、電子產(chǎn)品鍍層、電磁屏蔽鍍膜以及汽車和建筑玻璃鍍膜領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，該領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)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(diào)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(shí)間。如配合氮?dú)夥烹娖鸹?shí)施濺射，可以獲得高硬度低摩擦系數(shù)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(jī)械加工行業(yè)具有較好的應(yīng)用前景。
鈦鋁合金靶材的制備較困難。根據(jù)鈦鋁合金相圖，鈦和鋁之問可以形成多種金屬問化合物，導(dǎo)致鈦鋁合金存在加工脆性，特別是當(dāng)合金中鋁含量超過50％(原子比)時(shí)，合金的抗氧化性驟然降低，氧化嚴(yán)重。同時(shí)，合金化過程中的放熱膨脹，極易產(chǎn)生氣泡、縮孔和縮松，導(dǎo)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(shè)備在適當(dāng)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(yīng)用于裝飾、工模具、玻璃、電子器件、半導(dǎo)體、磁記錄、平面顯示、太陽能電池等眾多領(lǐng)域，不同領(lǐng)域需要的靶材各不相同。按照生產(chǎn)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(jù)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(gè)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(dòng)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H J。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(yīng)用的薄膜制備技術(shù)。
2、鈦鋁合金濺射靶制備技術(shù)
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。其中純度、致密度及晶粒度與靶材制備工藝直接相關(guān)。
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Ti3A1、TiAl、TiAl2、TiAl3等，這些金屬間化合物的存在導(dǎo)致鈦鋁合金的加工脆性，特別是當(dāng)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(chǎn)生氣泡、疏松
和偏析，造成合金中成分與組織不均勻，導(dǎo)致靶材品質(zhì)不穩(wěn)定。
根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)鈦鋁合金靶材的生產(chǎn)工藝研究報(bào)道，目前鈦鋁合金濺射靶材的主要制備技術(shù)有：強(qiáng)電流加熱法、熱等靜壓燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法。
2.1 強(qiáng)電流加熱法
學(xué)者余鵬發(fā)明了一種通過大強(qiáng)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?zhàn)陨矸磻?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,ttm，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(fù)電極需要有導(dǎo)電、傳壓功效，應(yīng)具備良好的導(dǎo)電性、強(qiáng)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。
2.2 熱等靜壓燒結(jié)法
學(xué)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(jìn)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(jìn)行熱等靜壓壓制成型，最后進(jìn)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(xì)小等特點(diǎn)。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≤100μm，最大規(guī)格尺寸可到1 000mm。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(jià)格昂貴，導(dǎo)致制備得到的靶材產(chǎn)品，成本較高，難以進(jìn)行工業(yè)化推廣。
2.3 熱壓燒結(jié)法
學(xué)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(diǎn)低，將鈦粉粘結(jié)在一起，形成合金濺射靶材[91。熱壓燒結(jié)示意圖如圖2所示。
該法制備得到的合金靶材致密度高(≥95％)，晶粒尺寸細(xì)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(guī)模產(chǎn)業(yè)化要求。
該工藝的特點(diǎn)是在真空或保護(hù)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(gè)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)硬質(zhì)相骨架坍塌，同時(shí)浪費(fèi)動(dòng)力能源，不利于降低成本；另外燒結(jié)溫度過高，會(huì)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(shí)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(shí)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(shí)，第二相與基體相比，由于濺射效率差，容易以突起殘留，也會(huì)影響濺射成膜的均勻性。燒結(jié)溫度太低，會(huì)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(dòng)，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(shí)使模具損耗嚴(yán)重，降低模具使用壽命。
3、結(jié)語
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(yàn)，選擇合適的脫模劑，提高成品率及模具的利用率，同時(shí)，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(shí)意義和極大的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
[1]金永中，劉東亮，陳建．濺射靶材的制備及應(yīng)用研究[J]．四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，18(3)：22—24．
[2]努力古．濺射靶材的制備及發(fā)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(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．52—53．
[4]張之圣，白天，王秀字．薄膜電阻器用磁控濺射高阻靶材[J]．壓電與聲光，2009，3l(5)：661—663．
[5]J．Sarkar，P．McDonald，P．Gilman．Surface characteristics of tita．niumtargetsand their relevance tosputtering performance[J]．Thin Solid Films，2009，517：1970—1976．
[6]高麟，賀躍輝，江轟，等．TiAl金屬間化合物微濾膜的制備與性能[J]．粉末冶金材料科學(xué)與工程，2005，10(4)：216—219．
[7]余鵬．一種通過大強(qiáng)度電流生產(chǎn)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(jié)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(jié)工藝研究[J]．金屬成形工藝，2003，21(6)：83—85．
[11]王贊海，王星明，儲(chǔ)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．
相關(guān)鏈接
