直流磁控濺射鍍膜靶的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及IPC分類中C23C濺射法金屬材料的鍍覆技術(shù)或B32B層狀產(chǎn)品的薄層構(gòu)成的產(chǎn)品，應(yīng)用于耐磨、耐蝕、抗高溫、微電子等領(lǐng)域，尤其是真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)制備TiB2直流磁控濺射鍍膜靶。
【背景技術(shù)】
[0002]硼化鈦(TiB2)是一種具有高硬度和高穩(wěn)定性的化合物，其硬度為35GPa，不但高于各種過渡金屬氮化物的硬度，而且TiB2的摩擦系數(shù)也低于多數(shù)過渡金屬氮化物，具有硬度高、熔點(diǎn)高、導(dǎo)電率高和熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等一系列優(yōu)異的理化性能。對(duì)于氣蝕、腐蝕嚴(yán)重，工作溫度很高，工作條件要求苛刻的許多工程應(yīng)用來說，TiB2是一種很有希望的候選材料。例如用于需優(yōu)異減磨性能的高速銑削刀具和螺紋刀具的表面涂層。但是，TiB2*層的抗氧化溫度不超過750°C，仍不能滿足高速切削和干式切削對(duì)涂層提出的要求。
[0003]將TiB2涂覆在不同的基體表面上的材料，在耐磨、耐蝕、抗高溫、微電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的制取TiB2鍍層的方法是以乙硼烷為原料通過CVD法制備和由熔化燒結(jié)快采用直接蒸發(fā)法制取。
[0004]利用CVD法，當(dāng)基體溫度等于或低于500°C時(shí)，在石墨基體上沉積的1182是非晶態(tài)的。在這一溫度范圍內(nèi)，TiBJ莫是過化學(xué)計(jì)量比的。隨著基體溫度的升高，大約在600°C，膜層變成晶態(tài)的，但晶粒尺寸很小。通過X射線衍射峰半高寬的變化發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸由Ts =6000C的6nm增加到Ts = 900°C的26nm。同樣是這些研究者還發(fā)現(xiàn)，沉積在石墨基體上的TiB2鍍層，其晶粒尺寸從Ts = 800。。的48nm增加至Ij Ts = 1000。。的IlOnm0他們還發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)物中的Ti和B以及H和Cl濃度的變化，會(huì)引起晶粒尺寸出現(xiàn)同一數(shù)量級(jí)的變化。盡管這些變化還沒有仔細(xì)地研究，但據(jù)信可能是Cl雜質(zhì)的影響，氯的存在可能是由于行程了 TiCl2，這是一種較穩(wěn)定的化合物。
[0005]對(duì)于PVD法沉積的鍍層來說，Ts = 6000C時(shí)為微晶結(jié)構(gòu)，但當(dāng)基體溫度增加到1300°C，膜層的X射線衍射峰變窄，獲得膜層的結(jié)構(gòu)具有(0001)擇優(yōu)取向。SEM發(fā)現(xiàn)，770°C時(shí)獲得的這些膜層，斷面形貌特點(diǎn)不顯著。在較高的溫度下，出現(xiàn)纖維狀的形貌。容易發(fā)現(xiàn)，PVD沉積膜的結(jié)構(gòu)和形貌取決于沉積速率。在較低的沉積速率下(0.2 μπι ^min1),得到的是TiB2，而在較高的沉積速率下(6.3 μπι *min》，膜層是缺B的，特別是在高溫下更是如此。
[0006]總結(jié)以上兩種制取TiB2鍍層的方式，由CVD法沉積的TiB 2膜的硬度，隨著沉積溫度的增加達(dá)到最大值，而在更高的沉積溫度下達(dá)到接近塊體材料的硬度；對(duì)于PVD鍍層，也觀察到了同樣的結(jié)果。然而，由CVD法生長的膜層比PVD鍍層要硬一些。
[0007]總之，TiB2具有優(yōu)良的綜合性能，應(yīng)用范圍十分廣泛。目前限制TiB2陶瓷快速發(fā)展的主要問題在于:原材料成本高；難以燒結(jié)致密化，制備出的靶材密度較低；不能制備尺寸比較大的靶材，大面積靶在制備過程中容易開裂；在熱沖擊環(huán)境下的抗熱震性差，同時(shí)材料的其它性能有待進(jìn)一步提尚。
[0008]中國專利申請(qǐng)201010237724.X 一種切削工具技術(shù)領(lǐng)域的硼化鈦/氮化硅納米多層涂層及其制備方法，納米多層涂層由TiBjP Si 3N4兩種材料交替沉積形成納米量級(jí)的多層結(jié)構(gòu)，在多層結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)，TiBJl的厚度為2?8nm，Si 3N4層厚為0.2?
0.8nm。制備方法如下:首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，然后通過在金屬或陶瓷的基體上采用在Ar氣氛中雙靶射頻濺射方法交替沉積TiB2層和Si3N4層，制取TiB2/Si3N4納米多層涂層，其中TiB2采用TiB 2靶直接濺射得到，而Si 3N4采用直接濺射Si 3N4化合物靶材提供。本發(fā)明所得的TiB2/Si3N4納米多層涂層不但具有優(yōu)良的高溫抗氧化性，而且具有高于37GPa，最高達(dá)到45GPa的硬度。本發(fā)明作為高速切削刀具尤其是高速切削的銑削刀具和螺紋刀具的表面涂層。
[0009]隨著材料制備新技術(shù)和材料設(shè)計(jì)思想和方法的發(fā)展，TiB2#料性能將會(huì)進(jìn)一步提高，其實(shí)際應(yīng)用將越來越廣泛。中國專利申請(qǐng)201110419340.4涉及一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎳涂層及其制備方法，其特征在于該TiB2/Ni涂層是由金屬Ni和TiBJI位復(fù)合而成，具有多層金屬Ni層與1182陶瓷層相互疊加而成的納米層狀結(jié)構(gòu)，其中每層的厚度為6-60nm，金屬Ni含量為5_30at.%;所述TiB2/Ni涂層中金屬Ni層與TiB2陶瓷層的層數(shù)為20-100000層，每層金屬Ni層的厚度為l-10nm，每層11132層的厚度為5_50nmo

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)制備1182直流磁控濺射鍍膜靶，以得到性能優(yōu)異的TiB2鍍膜靶材。
[0011]本發(fā)明使用原材料為TiB2粉體，是外觀顏色均勻一致的暗灰色粉末，無肉眼可見雜物；TiB2粉體理化性能包括:比重4.52g/cm3，熔點(diǎn)2980 °C，莫氏硬度> 9，電阻率12 μ Ω.Μ，與酸堿不起反應(yīng)，耐磨、抗熱震。
[0012]本發(fā)明的目的將通過以下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn):對(duì)純度為99.95%的1182粉體進(jìn)行球磨處理，然后裝模，使用T = 1000°C燒結(jié)，增壓至IMPa，得到半成品，進(jìn)行機(jī)械加工，確保所有平面保持平整，角度成直角，得到！182鍍膜靶材；然后保持壓力不變，將溫度升高至1200°C和1300°C等，以此類推，分別做多組實(shí)驗(yàn)，以得出性能優(yōu)異的TiB2鍍膜靶材。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果:通過材料設(shè)計(jì)和采用活化燒結(jié)技術(shù)，提高了 TiBJ莫的硬度，鍍膜過程穩(wěn)定，膜層均勻。成本低，制備周期短，無需后處理等工藝，宜于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，具有突出的應(yīng)用價(jià)值。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明原理在于，通過材料設(shè)計(jì)來制備高性能的TiB2基復(fù)合材料，包括采用特殊的制備方法，如自蔓延高溫合成方法，獲得低成本高性能的TiB2原材料；采用活化燒結(jié)技術(shù)，如添加各種金屬或非金屬添加劑，獲得高致密度的TiB2材料；
[0015]本發(fā)明中，用真空或氣體保護(hù)壓力燒結(jié)法制備TiB2-，進(jìn)一步的以所制得TiB2-材采用直流磁控濺射制取TiBJ莫。據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)證明，用真空壓力燒結(jié)制備的TiB 2靶在鍍膜過程中比直接蒸發(fā)法制取的膜有高硬度、膜層均勻、鍍膜過程穩(wěn)定等特點(diǎn)。
[0016]本發(fā)明中靶材制備流程包括:
[0017]I)對(duì)原料TiB2粉體進(jìn)行球磨處理，得到粒度細(xì)而均勻的顆粒；
[0018]2)將處理過的粉末進(jìn)行裝模；
[0019]3)對(duì)裝模后粉末進(jìn)行燒結(jié)和增壓處理，燒結(jié)溫度范圍為1000— 1800°C，壓力范圍為 IMPa—20MPa ；
[0020]4)經(jīng)過燒結(jié)和增壓處理得到半成品，對(duì)半成品進(jìn)行加工處理將燒結(jié)完成的靶材坯體進(jìn)行機(jī)械加工，確保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2鍍膜靶材。
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]實(shí)施例1:對(duì)純度為99.95%的TiB2粉體進(jìn)行球磨處理，使其粒度小而均勻，然后裝模，使用T = 100tC燒結(jié)，增壓至IMPa，得到半成品，最后對(duì)半成品進(jìn)行加工處理將燒結(jié)完成的靶材坯體進(jìn)行機(jī)械加工，確保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2鍍膜靶材。然后保持壓力不變，將溫度升高至1200°C和1300°C等，以此類推，分別做多組實(shí)驗(yàn)，以得出性能優(yōu)異的TiB2鍍膜靶材。
[0023]前述中，1182粉體外觀顏色均勻一致的暗灰色粉末，無肉眼可見雜物；理化性能包括:比重4.52g/Cm3，熔點(diǎn) 2980°C，莫氏硬度>9，電阻率12μ Ω.M，與酸堿不起反應(yīng)，耐磨、
抗熱震。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)制備TiB2直流磁控濺射鍍膜靶，其特征在于使用真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)，對(duì)純度為99.95%的TiB2粉體進(jìn)行球磨處理，然后裝模，使用T = 1000C燒結(jié)，增壓至IMPa，得到半成品，進(jìn)行機(jī)械加工，確保所有平面保持平整，角度成直角，得到!182鍍膜靶材；具體包含以下步驟: 1)對(duì)原料TiB2粉體進(jìn)行球磨處理，得到粒度細(xì)而均勻的顆粒； 2)將處理過的粉末進(jìn)行裝模； 3)對(duì)裝模后粉末進(jìn)行燒結(jié)和增壓處理，燒結(jié)溫度范圍為1000—1800°C，壓力范圍為IMPa—20MPa ； 4)經(jīng)過燒結(jié)和增壓處理得到半成品，對(duì)半成品進(jìn)行加工處理將燒結(jié)完成的靶材坯體進(jìn)行機(jī)械加工，確保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2鍍膜靶材。2.如權(quán)利要求1所述的真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)制備TiB2直流磁控濺射鍍膜靶，其特征就在于，以真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)制備，對(duì)純度為99.95%的TiB2粉體進(jìn)行球磨處理，使其粒度小而均勻，然后裝模，使用T= 100tC燒結(jié)，增壓至IMPa，得到半成品，最后對(duì)半成品進(jìn)行加工處理將燒結(jié)完成的靶材坯體進(jìn)行機(jī)械加工，確保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2鍍膜靶材。然后保持壓力不變，將溫度升高至1200°C和1300°C等，以此類推，分別做多組實(shí)驗(yàn)，以得出性能優(yōu)異的TiB2鍍膜靶材。3.如權(quán)利要求1所述的真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)制備TiB2直流磁控濺射鍍膜靶，其特征在于真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)制備，！182粉體外觀顏色均勻一致的暗灰色粉末，無肉眼可見雜物JiB2粉體理化性能包括:比重4.52g/cm3，熔點(diǎn)2980 °C，莫氏硬度> 9，電阻率.12 μ Ω.Μ，與酸堿不起反應(yīng)，耐磨、抗熱震。
【專利摘要】真空氣體保護(hù)壓力燒結(jié)制備TiB2直流磁控濺射鍍膜靶，對(duì)純度為99.95％的TiB2粉體進(jìn)行球磨處理，然后裝模，使用T＝1000℃燒結(jié)，增壓至1MPa，得到半成品，進(jìn)行機(jī)械加工，確保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2鍍膜靶材；通過材料設(shè)計(jì)和采用活化燒結(jié)技術(shù)，提高了TiB2膜的硬度，鍍膜過程穩(wěn)定，膜層均勻。成本低，制備周期短，無需后處理等工藝，宜于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，具有突出的應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】C04B35/645, C23C14/35, C23C14/06
【公開號(hào)】CN105018890
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510504593
【發(fā)明人】賈澤夏, 莊志杰
【申請(qǐng)人】基邁克材料科技（蘇州）有限公司
【公開日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年8月17日