一種防止用作濺射靶材的脆性合金開裂的鑄造方法
【專利摘要】一種防止用作濺射靶材的脆性合金開裂的鑄造方法，其主要是鑄造出的脆性合金鑄件為片狀或板狀，其厚度8?15毫米、在垂直于厚度方向的平面內(nèi)的尺寸在厚度的20倍以上；最終片狀或板狀鑄件是通過液態(tài)合金的不斷注入，鑄件沿厚度方向逐漸增厚而形成的，鑄造過程中片狀或板狀鑄件的表面是水平的；澆注模具由含型腔的部件直接放置到底板上組合而成，通過合理設(shè)計底板和含型腔部件的形狀、尺寸，實現(xiàn)上述沿厚度方向逐漸增厚而形成最終鑄件的鑄造方式；含型腔部件和底板由低導熱系數(shù)的耐高溫陶瓷材料制造。本發(fā)明可有效防止鑄造過程中脆性合金鑄件的開裂，鑄件僅殘存非常微量的凝固縮孔，機加工后可直接用作濺射靶材；方法簡便易行，生產(chǎn)成本低。
【專利說明】
一種防止用作濺射靶材的脆性合金開裂的鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鑄造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種合金的鑄造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在物理氣相沉積制備薄膜的過程中，高能離子束流轟擊固體表面，從而使固體表面的原子由于物理濺射作用離開固體，然后沉積在基底表面形成薄膜，被轟擊的固體是為薄膜的生長提供原材料的濺射源，稱為濺射靶材，其組成材料主要包括各種純金屬、合金以及無機非金屬材料(陶瓷)，常見的幾何形態(tài)為圓片狀和長方體板狀。濺射靶材通過物理氣相沉積制備的薄膜主要應(yīng)用在半導體、電子、信息產(chǎn)業(yè)，玻璃鍍膜領(lǐng)域，高檔裝飾用品行業(yè)，以及提高材料耐磨、耐腐蝕的場合等等，其中在半導體、電子、信息產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛，例如:集成電路(電極互連線膜、阻擋層薄膜、接觸薄膜、光盤掩膜、電容器電極膜、電阻薄膜等)，信息存儲(硬盤、磁頭、光盤等)，平面顯示器(液晶顯示器、等離子體顯示器、場致發(fā)光顯示器、場發(fā)射顯示器)，激光存儲器，電子控制器件，磁性器件等。在各種各樣的濺射靶材中，有一類用脆性合金制作的濺射靶材，這些脆性合金包括具有非晶成分的合金(所制作的靶材為晶態(tài)，但濺射和物理氣相沉積后形成非晶薄膜)、金屬間化合物、金屬-非金屬中間相化合物、金屬間化合物和/或金屬-非金屬中間相化合物含量較高的合金。鑒于這些材料的脆性，目前用它們制作的濺射靶材均通過粉末固結(jié)的方法生產(chǎn)。由于較高的粉末價格以及粉末固結(jié)方法中工序較多，導致粉末固結(jié)法生產(chǎn)的這類濺射靶材成本很高，因此用熔鑄方法生產(chǎn)這類靶材以降低生產(chǎn)成本就顯得很有意義。
[0003]目前，在金屬、合金濺射靶材的生產(chǎn)中，常用的鑄造方法包括鑄錠法和鑄板法，前者為液態(tài)金屬、合金沿錠的軸線方向不斷累積而形成最終的鑄件;后者為液態(tài)金屬、合金沿平行于板的表面方向不斷累積而形成最終的鑄件，稱之為豎直澆注法。然而，無論鑄錠法還是鑄板法，鑄件在高度方向(即豎直方向)上尺寸較大，導致鑄件冷卻過程中沿著這一方向上溫差較大，從而造成高的熱應(yīng)力。當鑄錠法和鑄板法用來鑄造脆性合金時，鑄件通常發(fā)生開裂。對于已經(jīng)在鋼鐵和有色金屬(例如:鋁及鋁合金)生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用的板坯連鑄技術(shù)，由于凝固的材料中沿鑄造板坯前進方向存在明顯的溫度梯度，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力會導致鑄造的脆性板坯開裂，所以板坯連鑄技術(shù)一般不適合鑄造脆性合金。現(xiàn)今的文獻中也報導過一些成功鑄造脆性合金的方法。通過設(shè)計澆注模具的模殼幾何形狀，精選制造模殼的材料，并優(yōu)化模殼的預(yù)熱制度，采用從下往上的豎直澆注方法，成功鑄造出由鉻的硅化物組成的脆性合金的鑄件，可用來制作高電阻濺射靶材[壓電與聲光，31(5)(2009)661-663]。將多次真空自耗熔煉的液態(tài)鈦鋁合金，離心澆注到一個矩形模具中，此模具預(yù)熱到200°C以上，并用石棉等作為保溫材料使模具在澆注過程中保持一定的溫度，運用此鑄造方法成功獲得脆性的鈦鋁合金矩形板坯鑄件(中國發(fā)明專利申請201310624968.7)，可用來制作濺射靶，用于電子、半導體工業(yè)上沉積薄膜。值得注意的是，這兩項技術(shù)中均未指出制造澆注模具所用的材料以及模具的結(jié)構(gòu)細節(jié)，中國發(fā)明專利申請201310624968.7中沒有指出鑄造過程中板坯的位向(即板坯表面水平、豎直、還是與水平或豎直面呈一定角度)，這些是確保脆性鑄件不開裂的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服鑄件較大的高度(即豎直方向的尺寸)所引起的較大溫差，從而造成的高的熱應(yīng)力導致脆性合金鑄件的開裂和板坯連鑄過程中沿鑄造板坯前進方向的溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力導致的脆性合金鑄造板坯的開裂，本發(fā)明提出了一種簡便易行、生產(chǎn)成本低的可防止用作濺射靶材的脆性合金開裂的鑄造方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案主要是:
[0006]1.鑄造出的脆性合金鑄件為片狀或板狀，其厚度8-15毫米、在垂直于厚度方向的平面內(nèi)的尺寸在厚度的20倍以上；
[0007]2.最終板狀或片狀鑄件是通過液態(tài)合金的不斷注入，鑄件沿厚度方向逐漸增厚而形成的，鑄造過程中片狀或板狀鑄件的表面是水平的，稱之為“水平澆注”；
[0008]3.澆注模具由含型腔部件直接放置到底板上組合而成；
[0009]4.含型腔部件和底板由低導熱系數(shù)的耐高溫陶瓷材料制造。
[0010]所述用作濺射靶材的脆性合金包括具有非晶成分的合金、金屬間化合物、金屬-非金屬中間相化合物、金屬間化合物和/或金屬-非金屬中間相化合物體積分數(shù)超過50%的合金；
[0011]所述低導熱系數(shù)的耐高溫陶瓷材料包括熔點高于1500°C、導熱系數(shù)低于50W/mK的氧化物(如:氧化鋁、氧化鎂)、碳化物(如:碳化硅)和氮化物(如:氮化硼、氮化硅)陶瓷。
[0012]為實現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明的鑄造方法具體步驟如下:
[0013](I)澆注模具組件的制造:
[0014]用低導熱系數(shù)的耐高溫陶瓷材料的粉末，通過粉漿澆注的方法，制造澆注模具的組件:底板和含型腔部件。所述底板為平板狀，上、下表面平行;所述含型腔部件的結(jié)構(gòu)、尺寸符合兩個要求:含型腔部件放置到底板上時，與底板表面緊密配合，在接觸面上含型腔部件的面積小于底板的面積;含型腔部件放置到底板上并且底板水平放置時，型腔在高度等于片狀或板狀鑄件厚度的位置的水平截面以下的部分，與片狀或板狀鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致。
[0015](2)澆注模具的組合:
[0016]依據(jù)鑄造脆性合金的特性，對底板或含型腔部件，選擇加熱到200-600°C或不加熱;然后，將含型腔部件放置到底板上，構(gòu)成組合澆注模具，型腔與底板的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間。
[0017](3)組合澆注模具的放置:
[0018]將組合澆注模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，位于組合澆注模具下部的底板水平放置在熔煉坩禍的下方。
[0019](4)脆性合金的水平澆注:
[0020]將組成用作濺射靶材的脆性合金的各元素按成分配比加入到陶瓷坩禍或水冷銅坩禍中，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)的合金，保溫10-15分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合澆注模具中，這樣依據(jù)步驟(I)中含型腔部件的型腔結(jié)構(gòu)，以及步驟(3)中組合澆注模具下部的底板水平放置，澆注過程中鑄件將沿厚度方向逐漸增厚，同時鑄件表面是水平的，以此方式逐漸形成最終形狀和尺寸的板狀或片狀鑄件。
[0021](5)鑄造后鑄件的處理:
[0022]鑄件逐漸完成凝固，并且其溫度不斷降低，當鑄件溫度降低到400-800°C時，將含有鑄件的組合澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到50-200°C，從模具中取出板狀或片狀鑄件。
[0023]本發(fā)明的原理主要是:
[0024]—、水平澆注帶來的鑄件小的厚度和澆注模具材料低的導熱系數(shù)確保鑄件內(nèi)部溫度場最大限度的均勻性，減小導致鑄件開裂的熱應(yīng)力。
[0025]二、垂直于厚度方向的平面內(nèi)的尺寸遠大于厚度，這一點保證了鑄件用于制作濺射靶材的足夠尺寸。
[0026]三、液態(tài)合金對于制造含型腔部件和底板的陶瓷材料的不浸潤以及液態(tài)合金高的表面張力，使得澆注到型腔中的液態(tài)合金不會從含型腔部件與底板之間的微小縫隙中漏出。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0028]1、本發(fā)明的鑄造方法為從敞口的澆注模具的上方加入液態(tài)合金，與現(xiàn)有的從下往上豎直澆注和離心澆注脆性合金的方法相比，簡便易行。
[0029]2、澆注模具的成本低，用于制造澆注模具的材料是常規(guī)的耐高溫陶瓷材料，價格低廉;同時澆注模具制造容易。
[0030]3、獲得的鑄件按照從底部到頂部的順序準定向凝固，不需要補縮冒口就可最大限度地避免凝固縮孔，不僅使鑄件中殘存非常微量的孔隙，機加工后可直接用作濺射靶材，而且節(jié)省了用于形成冒口的材料。
【附圖說明】
[0031]
[0032]圖1是本發(fā)明實施例1澆注圓片狀鑄件的示意簡圖；
[0033]圖2是本發(fā)明實施例1含圓形型腔部件與底板組合構(gòu)成澆注模具示意簡圖；
[0034]圖3是本發(fā)明實施例2澆注長方體板狀鑄件的示意簡圖；
[0035]圖4是本發(fā)明實施例2含長方體型腔部件與底板組合構(gòu)成澆注模具示意簡圖；
[0036]圖5是本發(fā)明實施例1鑄造的非晶成分軟磁合金Co67-Fe4-Mol.5-Sil6.5-Bll圓片狀鑄件圖。
[0037]圖6是本發(fā)明實施例1中鑄造的非晶成分軟磁合金Co67-Fe4-Mol.5-Sil6.5-Bll圓片狀鑄件的光學顯微組織圖(拋光未浸蝕)。
[0038]圖7是本發(fā)明實施例3中鑄造的金屬間化合物Ni3Al片狀鑄件圖。
[0039]圖8是本發(fā)明實施例3中鑄造的金屬間化合物Ni3Al片狀鑄件的光學顯微組織圖(拋光未浸蝕)。
[0040]圖9是本發(fā)明實施例4中鑄造的Cr40-Si60(原子百分數(shù))合金片狀鑄件圖。
[0041]圖10是本發(fā)明實施例4中鑄造的Cr40-Si60(原子百分數(shù))合金片狀鑄件的掃描電鏡二次電子像圖(拋光未浸蝕)。
[0042]圖11是本發(fā)明實施例5鑄造的A180_Ni20(原子百分數(shù))合金板狀鑄件圖。
[0043]圖12是本發(fā)明實施例5中鑄造的A180-Ni20(原子百分數(shù))合金板狀鑄件的光學顯微組織圖(拋光未浸蝕)。
[0044]圖13是本發(fā)明實施例7中鑄造的Cr81-Sil9(原子百分數(shù))合金片狀鑄件圖。
[0045]圖14是本發(fā)明實施例7中鑄造的Cr81-Sil9(原子百分數(shù))合金片狀鑄件的掃描電鏡二次電子像圖(拋光未浸蝕)。
[0046]圖中:1、熔煉坩禍，2、液態(tài)合金，3、澆注的圓片狀鑄坯，4、含圓形型腔部件，5、底板，6、含長方體型腔部件，7、澆注的長方體板狀鑄坯。
【具體實施方式】
[0047]實施例1
[0048]一種成分為Co67-Fe4_Mo1.5_Si 16.5_B11 (原子百分數(shù))的非晶軟磁合金，其晶態(tài)的材料為約20%的0)基固溶體和約80%的(0)^):^、((:0^)28金屬-非金屬中間相化合物+(Co，F(xiàn)e)Mo金屬間化合物組成(體積百分數(shù))的合金，因此晶態(tài)的這種合金具有很高的脆性。
[0049]本實施例的目標是鑄造出直徑Φ300毫米、厚度12毫米的圓片狀鑄件。首先，如圖1和圖2所示，用粉漿澆注制作出內(nèi)徑Φ300毫米、外徑Φ340毫米、高80毫米的氧化鋁含圓形型腔部件4和邊長600毫米X 400毫米、厚20毫米的氧化鋁底板5。底板5為平板狀，上、下表面平行。含圓形型腔部件4放置到底板5上時，與底板5表面緊密配合，在接觸面上含圓形型腔部件4的面積小于底板5的面積;含圓形型腔部件4放置到底板5上并且底板5水平放置時，型腔在高度等于目標圓片狀鑄件厚度12毫米的位置的水平截面以下的部分，與直徑Φ300毫米、厚度12毫米的目標圓片狀鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致。不對底板5和含圓形型腔部件4加熱，將含圓形型腔部件放置到底板上，構(gòu)成組合澆注模具，如圖2所示，型腔與底板5的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間。將組合模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，水平放置在熔煉坩禍I的下方。然后，將純Co、Fe、Mo、S1、B按上述非晶軟磁合金的成分配比加入到陶瓷熔煉坩禍I中，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)合金2，保溫15分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合模具中。鑒于上述含圓形型腔部件4的型腔結(jié)構(gòu)，并且它下面的底板5水平放置，這樣澆注一開始，由于液態(tài)合金的流動便形成約Φ300毫米的液態(tài)鑄件3，鑄件3表面水平但厚度較小；隨著液態(tài)合金的不斷注入，鑄件3厚度逐漸增加，其表面始終水平；最后當澆注完成時，鑄件3厚度增加到最終的12毫米，形成直徑Φ 300毫米、厚度12毫米的水平放置的圓片狀鑄件。鑄件逐漸完成凝固，并且其溫度不斷降低，當鑄件溫度降低到約700°C時，將含有鑄件的組合澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到100°C以下，從模具中取出鑄件，如圖5所示，鑄件沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂。
[0050]如圖6所示，鑄件幾乎完全致密，孔隙度在0.1%以下(孔隙為箭頭所指的黑點)；鑄造的非晶成分合金是晶態(tài)的，其組織均勻、細小;極低的孔隙度和均勻細小的組織使得這樣的鑄態(tài)材料完全可以在機加工后直接用作濺射靶材，用以沉積非晶軟磁薄膜制作磁性器件。
[0051 ] 實施例2
[0052]一種成分為0)67464-101.5-5丨16.5-811(原子百分數(shù))的非晶軟磁合金，其晶態(tài)的材料為約20%的0)基固溶體和約80%的(0)^):^、((:0^)28金屬-非金屬中間相化合物+(Co，F(xiàn)e)Mo金屬間化合物組成(體積百分數(shù))的合金，因此晶態(tài)的這種合金具有很高的脆性。
[0053]本實施例的目標是鑄造出邊長400毫米X250毫米、厚度8毫米的板坯鑄件。首先，如圖3和圖4所示，用粉漿澆注氧化鋁粉制作出含長方體型腔的部件6和底板7。含長方體型腔的部件6的尺寸為，型腔尺寸:邊長400毫米X 250毫米、高80毫米，外廓尺寸:邊長450毫米X 300毫米、厚80毫米。底板5尺寸為邊長600毫米X 400毫米、厚20毫米。底板5為平板狀，上、下表面平行。含長方體型腔部件6放置到底板5上時，與底板5表面緊密配合，在接觸面上含長方體型腔部件6的面積小于底板5的面積;含長方體型腔部件6放置到底板5上并且底板5水平放置時，型腔在高度等于目標板坯鑄件厚度8毫米的位置的水平截面以下的部分，與邊長400毫米X250毫米、厚度8毫米的目標板坯鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致。將含長方體型腔部件6和底板5加熱到600°C，將含長方體型腔部件6放置到底板5上，構(gòu)成組合澆注模具，長方體型腔與底板5的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間。將組合模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，水平放置在熔煉坩禍I的下方。然后，將純Co、Fe、Mo、S1、B按上述非晶軟磁合金的成分配比加入到陶瓷坩禍中，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)合金2，保溫15分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合澆注模具中。鑒于上述長方體型腔的結(jié)構(gòu)，并且它下面的底板水平放置，這樣澆注一開始，由于液態(tài)合金的流動便形成邊長400毫米X 250毫米的液態(tài)鑄件7，鑄件7表面水平但厚度較小;隨著液態(tài)合金的不斷注入，鑄件7厚度逐漸增加，其表面始終水平;最后當澆注完成時，鑄件7厚度增加到最終的8毫米，形成邊長400毫米X250毫米、厚度8毫米的水平放置的板坯鑄件。當鑄件溫度降到650°C時，將含有鑄件的組合澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到100°C，從模具中取出鑄件。
[0054]仔細觀察板坯鑄件，沒有發(fā)現(xiàn)鑄件有任何開裂，板坯鑄件的光學顯微組織(拋光未浸蝕)指出鑄件幾乎完全致密，孔隙度在0.1%以下，鑄造組織均勻、細??；因此這樣的鑄態(tài)材料完全可以在機加工后直接用作濺射靶材，用以沉積非晶軟磁薄膜制作磁性器件。
[0055]實施例3
[0056]—種成分為Ni75_A125(原子百分數(shù))的合金，按照平衡相圖其微觀組織為單相的金屬間化合物Ni3Al,所以這種合金較脆。
[0057]本實施例的目標是鑄造出直徑Φ200毫米、厚度10毫米的圓片狀鑄件。首先，用粉漿澆注制作出內(nèi)徑Φ 200毫米、外徑Φ 240毫米、高60毫米的碳化硅含圓形型腔部件和邊長400毫米X 400毫米、厚20毫米的碳化硅底板。底板為平板狀，上、下表面平行，在接觸面上含圓形型腔部件的面積小于底板的面積。含圓形型腔部件放置到底板上時，與底板表面緊密配合;含圓形型腔部件放置到底板上并且底板水平放置時，型腔在高度等于目標圓片狀鑄件厚度10毫米的位置的水平截面以下的部分，與直徑Φ200毫米、厚度10毫米的目標圓片狀鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致。不對底板和含圓形型腔部件加熱，將含圓形型腔部件放置到底板上，構(gòu)成組合澆注模具，型腔與底板的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間。將組合模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，水平放置在熔煉坩禍的下方。然后，將純Al和Ni按M75-A125(原子百分數(shù))的成分配比加入到水冷銅坩禍中，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)的合金，保溫10分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合模具中。鑒于上述含圓形型腔部件的型腔結(jié)構(gòu)，并且它下面的底板水平放置，這樣澆注一開始，由于液態(tài)合金的流動便形成Φ 200毫米的液態(tài)鑄件，鑄件表面水平但厚度較小;隨著液態(tài)合金的不斷注入，鑄件厚度逐漸增加，其表面始終水平;最后當澆注完成時，鑄件厚度增加到最終的10毫米，形成直徑Φ200毫米、厚度10毫米的水平放置的圓形片狀鑄件;鑄件逐漸完成凝固，并且其溫度不斷降低，當鑄件溫度降低到約750°C時，將含有鑄件的組合澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到150°C，從模具中取出鑄件，如圖7所示，沒有發(fā)現(xiàn)鑄件有任何開裂。
[0058]如圖8所示，鑄件幾乎完全致密，孔隙度在0.2%以下(孔隙為箭頭所指的黑點)，鑄造組織均勻、細小;極低的孔隙度和均勻細小的組織使得這樣的鑄態(tài)材料完全可以在機加工后直接用作濺射靶材，用以沉積半導體、電子、信息產(chǎn)業(yè)上用的電極互連線膜、接觸薄膜等等。
[0059]實施例4
[0060]一種成分為Cr40_Si60(原子百分數(shù))的合金，按照平衡相圖其微觀組織為金屬-非金屬中間相CrSi和CrSi2的混合物，導致這種合金極高的脆性。
[0061]本實施例的目標是鑄造出直徑Φ200毫米、厚度10毫米的圓片狀鑄件。首先，用粉漿澆注制作出內(nèi)徑Φ200毫米、外徑Φ240毫米、高60毫米的氧化鋁含圓形型腔部件和邊長400毫米X 400毫米、厚20毫米的氧化鋁底板。底板為平板狀，上、下表面平行，在接觸面上含圓形型腔部件的面積小于底板的面積。含圓形型腔部件放置到底板上時，與底板表面緊密配合;含圓形型腔部件放置到底板上并且底板水平放置時，型腔在高度等于目標圓片狀鑄件厚度10毫米的位置的水平截面以下的部分，與直徑Φ200毫米、厚度10毫米的目標圓片狀鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致。不對底板和含圓形型腔部件加熱，將含圓形型腔部件放置到底板上，構(gòu)成組合澆注模具，型腔與底板的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間。將組合模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，水平放置在熔煉坩禍的下方。然后，將純Si和中間合金CrSO-Si20(原子百分數(shù))加入到陶瓷坩禍中形成Cr40-Si60(原子百分數(shù))的成分配比，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)的合金，保溫10分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合模具中。鑒于上述含圓形型腔部件的型腔結(jié)構(gòu)，并且它下面的底板水平放置，這樣澆注一開始，由于液態(tài)合金的流動便形成Φ 200毫米的液態(tài)鑄件，鑄件表面水平但厚度較??；隨著液態(tài)合金的不斷注入，鑄件厚度逐漸增加，其表面始終水平;最后當澆注完成時，鑄件厚度增加到最終的10毫米，形成直徑Φ200毫米、厚度10毫米的水平放置的圓形片狀鑄件;鑄件逐漸完成凝固，并且其溫度不斷降低，當鑄件溫度降低到約400°C時，將含有鑄件的組合澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到約50°C，從模具中取出鑄件，如圖9所示，沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂。
[0062]如圖10所示，鑄件幾乎完全致密，孔隙度在0.5%以下(孔隙為箭頭所指小空洞)，鑄造組織均勻、細小;極低的孔隙度和均勻細小的組織使得這樣的鑄態(tài)材料完全可以在機加工后直接用作濺射靶材，用以沉積半導體、電子、信息產(chǎn)業(yè)上用的電阻薄膜。
[0063]實施例5
[0064]一種成分為A180_Ni20(原子百分數(shù))的合金，按照平衡相圖其微觀組織含有體積分數(shù)約78%的金屬間化合物Al3NidAl3Ni和22%的Al基體，導致這種合金的高脆性。
[0065]本實施例的目標是鑄造出直徑Φ300毫米、厚度12毫米的圓片狀鑄件。首先，用粉漿澆注制作出內(nèi)徑Φ300毫米、外徑Φ340毫米、高80毫米的氧化鎂含圓形型腔部件和邊長600毫米X 400毫米、厚20毫米的氧化鎂底板。底板為平板狀，上、下表面平行，在接觸面上含圓形型腔部件的面積小于底板的面積。含圓形型腔部件放置到底板上時，與底板表面緊密配合;含圓形型腔部件放置到底板上并且底板水平放置時，型腔在高度等于目標圓片狀鑄件厚度12毫米的位置的水平截面以下的部分，與直徑Φ300毫米、厚度12毫米的目標圓片狀鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致。不對底板和含圓形型腔部件加熱，將含圓形型腔部件放置到底板上，構(gòu)成組合澆注模具，型腔與底板的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間。將組合模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，水平放置在熔煉坩禍的下方。然后，將純Al和Ni按A180-M20(原子百分數(shù))的成分配比加入到陶瓷坩禍中，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)的合金，保溫10分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合模具中。鑒于上述含圓形型腔部件的型腔結(jié)構(gòu)，并且它下面的底板水平放置，這樣澆注一開始，由于液態(tài)合金的流動便形成Φ 300毫米的液態(tài)鑄件，鑄件表面水平但厚度較小;隨著液態(tài)合金的不斷注入，鑄件厚度逐漸增加，其表面始終水平;最后當澆注完成時，鑄件厚度增加到最終的12毫米，形成直徑Φ300毫米、厚度12毫米的水平放置的圓形片狀鑄件;鑄件逐漸完成凝固，并且其溫度不斷降低，當鑄件溫度降低到約800°C時，將含有鑄件的組合澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到200 °C，從模具中取出鑄件，如圖11所示，沒有發(fā)現(xiàn)鑄件有任何開裂。
[0066]如圖12所示，鑄件幾乎完全致密，孔隙度在0.5%以下(孔隙為箭頭所指的黑點)，鑄造組織均勻、細小;極低的孔隙度和均勻細小的組織使得這樣的鑄態(tài)材料完全可以在機加工后直接用作濺射靶材，用以沉積半導體、電子、信息產(chǎn)業(yè)上用的電極互連線膜、接觸薄膜等等。
[0067]實施例6
[0068]一種成分為A180_Ni20(原子百分數(shù))的合金，按照平衡相圖其微觀組織含有體積分數(shù)約78%的金屬間化合物Al3NidAl3Ni和22%的Al基體，導致這種合金的高脆性。
[0069]本實施例的目標是鑄造出邊長500毫米X300毫米、厚度8毫米的板狀鑄件。首先，用粉漿澆注制作出型腔尺寸:邊長500毫米X 300毫米、高80毫米，外廓尺寸:邊長550毫米X350毫米、高80毫米的氮化硼含長方體型腔部件和邊長800毫米X600毫米、厚20毫米的氧化鎂底板。底板為平板狀，上、下表面平行，在接觸面上含長方體型腔部件的面積小于底板的面積。含長方體型腔部件放置到底板上時，與底板表面緊密配合;含長方體型腔部件放置到底板上并且底板水平放置時，型腔在高度等于目標板狀鑄件厚度8毫米的位置的水平截面以下的部分，與500毫米X 300毫米、厚度8毫米的目標板狀鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致。將含長方體型腔部件加熱到400°C，不對底板進行加熱，將含長方體型腔部件放置到底板上，構(gòu)成組合澆注模具，型腔與底板的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間。將組合模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，水平放置在熔煉坩禍的下方。然后，將純Al和Ni按A180-Ni20(原子百分數(shù))的成分配比加入到陶瓷坩禍中，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)的合金，保溫10分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合模具中。鑒于上述含長方體型腔部件的型腔結(jié)構(gòu)，并且它下面的底板水平放置，這樣澆注一開始，由于液態(tài)合金的流動便形成邊長500毫米X 300毫米的液態(tài)鑄件，鑄件表面水平但厚度較??；隨著液態(tài)合金的不斷注入，鑄件厚度逐漸增加，其表面始終水平;最后當澆注完成時，鑄件厚度增加到最終的8毫米，形成邊長500毫米X 300毫米、厚度8毫米的水平放置的板狀鑄件;鑄件逐漸完成凝固，并且其溫度不斷降低，當鑄件溫度降低到約800°C時，將含有鑄件的組合澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到2000C，從模具中取出鑄件。
[0070]仔細觀察鑄件，沒有發(fā)現(xiàn)鑄件有任何開裂，鑄件的光學顯微組織(拋光未浸蝕)指出鑄件幾乎完全致密，孔隙度在0.5%以下，鑄造組織均勻、細??；因此這樣的鑄態(tài)材料完全可以在機加工后直接用作濺射靶材，用以沉積半導體、電子、信息產(chǎn)業(yè)上用的電極互連線膜、接觸薄膜等等。
[0071 ] 實施例7
[0072]一種成分為Cr81_Sil9(原子百分數(shù))的合金，按照平衡相圖其微觀組織含有66%的金屬-非金屬中間相化合物CnSi和34%的Cr(體積分數(shù))，導致這種合金的高脆性。
[0073]本實施例的目標是鑄造出直徑Φ200毫米、厚度15毫米的圓片狀鑄件。首先，用粉漿澆注制作出內(nèi)徑Φ 200毫米、外徑Φ 240毫米、高60毫米的碳化硅含圓形型腔部件和邊長400毫米X 400毫米、厚20毫米的氮化硼底板。底板為平板狀，上、下表面平行，在接觸面上含圓形型腔部件的面積小于底板的面積。含圓形型腔部件放置到底板上時，與底板表面緊密配合;含圓形型腔部件放置到底板上并且底板水平放置時，型腔在高度等于目標圓片狀鑄件厚度15毫米的位置的水平截面以下的部分，與直徑Φ200毫米、厚度15毫米的目標圓片狀鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致。將底板加熱到200°C，不對含圓形型腔部件加熱，將含圓形型腔部件放置到底板上，構(gòu)成組合澆注模具，型腔與底板的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間。將組合模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，水平放置在熔煉坩禍的下方。然后，將純Cr和中間合金Cr80-Si20(原子百分數(shù))加入到水冷銅坩禍中以形成Cr81-Sil9(原子百分數(shù))的成分配比，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)的合金，保溫10分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合澆注模具中。鑒于上述含圓形型腔部件的型腔結(jié)構(gòu)，并且它下面的底板水平放置，這樣澆注一開始，由于液態(tài)合金的流動便形成Φ 200毫米的液態(tài)鑄件，鑄件表面水平但厚度較??；隨著液態(tài)合金的不斷注入，鑄件厚度逐漸增加，其表面始終水平;最后當澆注完成時，鑄件厚度增加到最終的15毫米，形成直徑Φ200毫米、厚度15毫米的水平放置的圓形片狀鑄件;鑄件逐漸完成凝固，并且其溫度不斷降低，當鑄件溫度降低到約600°C時，將含有鑄件的組合式澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到80°C，從模具中取出鑄件，如圖13所示，沒有發(fā)現(xiàn)鑄件有任何開裂。
[0074]如圖14所示，鑄件幾乎完全致密，孔隙度在0.5%以下(孔隙為箭頭所指小空洞)，鑄造組織均勻、細小;極低的孔隙度和均勻細小的組織使得這樣的鑄態(tài)材料完全可以在機加工后直接用作濺射靶材，用以沉積半導體、電子、信息產(chǎn)業(yè)上用的電阻薄膜。
【主權(quán)項】
1.一種防止用作濺射靶材的脆性合金開裂的鑄造方法，其特征在于:鑄造出的脆性合金鑄件為片狀或板狀，其厚度8-15毫米、在垂直于厚度方向的平面內(nèi)的尺寸在厚度的20倍以上;最終片狀或板狀鑄件是通過液態(tài)合金的不斷注入，鑄件沿厚度方向逐漸增厚而形成的，鑄造過程中片狀或板狀鑄件的表面是水平的；澆注模具由含型腔的部件直接放置到底板上組合而成;含型腔部件和底板由低導熱系數(shù)的耐高溫陶瓷材料制造，具體包括以下步驟: (1)澆注模具組件的制造: 用低導熱系數(shù)的耐高溫陶瓷材料的粉末，通過粉漿澆注的方法，制造澆注模具的組件:底板和含型腔部件;所述底板為平板狀，上、下表面平行;所述含型腔部件的結(jié)構(gòu)、尺寸符合兩個要求:含型腔部件放置到底板上時，與底板表面緊密配合，在接觸面上含型腔部件的面積小于底板的面積;含型腔部件放置到底板上并且底板水平放置時，型腔在高度等于片狀或板狀鑄件厚度的位置的水平截面以下的部分，與片狀或板狀鑄件水平放置時，形狀和尺寸一致； (2)澆注模具的組合: 依據(jù)鑄造脆性合金的特性，對底板或含型腔部件，選擇加熱到200-600 °C或不加熱；然后，將含型腔部件放置到底板上，構(gòu)成組合澆注模具，型腔與底板的上表面形成液態(tài)合金的澆注空間； (3)組合澆注模具的放置: 將組合澆注模具送入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)部，位于組合澆注模具下部的底板水平放置在熔煉坩禍的下方； (4)脆性合金的水平澆注: 將組成用作濺射靶材的脆性合金的各元素按成分配比加入到陶瓷坩禍或水冷銅坩禍中，在真空感應(yīng)熔煉爐中將所加原料熔化，獲得液態(tài)的合金，保溫10-15分鐘使液態(tài)合金成分均勻，將液態(tài)合金澆注到上述組合澆注模具中，這樣依據(jù)步驟(I)中含型腔部件的型腔結(jié)構(gòu)，以及步驟(3)中組合澆注模具下部的底板水平放置，澆注過程中鑄件將沿厚度方向逐漸增厚，同時鑄件表面是水平的，以此方式逐漸形成最終形狀和尺寸的板狀或片狀鑄件； (5)鑄造后鑄件的處理: 鑄件逐漸完成凝固，并且其溫度不斷降低，當鑄件溫度降低到400-800°C時，將含有鑄件的組合澆注模具從真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)取出，鑄件在空氣中冷卻到50-200°C，從模具中取出鑄件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止用作濺射靶材的脆性合金開裂的鑄造方法，其特征在于:所述的脆性合金包括具有非晶成分的合金、金屬間化合物、金屬-非金屬中間相化合物、金屬間化合物和/或金屬-非金屬中間相化合物體積分數(shù)超過50%的合金。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止用作濺射靶材的脆性合金開裂的鑄造方法，其特征在于:所述的低導熱系數(shù)的耐高溫陶瓷材料包括熔點高于1500°C、導熱系數(shù)低于50W/m K的氧化物、碳化物或氮化物陶瓷。
【文檔編號】C23C14/34GK106011757SQ201610533559
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】林耀軍, 王建華
【申請人】燕山大學