專(zhuān)利名稱(chēng)：二硼化鈦靶子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于物理氣相沉積的二硼化鈦靶子，所述靶子包括一種或多種金屬的片段，所述金屬選自由以下物質(zhì)組成的群組鐵、鎳、鈷以及鉻；并且所述靶子還包括碳。
背景技術(shù)：
PVD (物理氣相沉積)法是涂布方法，其中涂層的產(chǎn)生方法如下物理方式、從靶子蒸發(fā)出涂層形成粒子、蒸汽濃縮以及在待涂布的襯底上形成涂層。與CVD (化學(xué)氣相沉積)法相比，PVD法的涂布溫度較低并且處理成本一般也較低，鑒于這一事實(shí)，PVD法也越來(lái)越多地被用來(lái)生產(chǎn)機(jī)器切割工具或焊接部件上的硬質(zhì)材料涂
層。 在各種PVD法中，更確切來(lái)說(shuō)是通過(guò)陰極濺射法達(dá)成了實(shí)務(wù)方面的特定意義，其中，通過(guò)離子轟擊使靶子原子化并且轉(zhuǎn)換為氣相，或者通過(guò)ARC-PVD法來(lái)將其原子化并且轉(zhuǎn)換為氣相，其中由蒸汽源提供的原子和離子通過(guò)弧載(arc load)形式的放電過(guò)程轉(zhuǎn)換成氣相。本文件的靶子始終是待蒸發(fā)的材料的來(lái)源，并且接著會(huì)被直接或經(jīng)由陰極托臺(tái)安裝到涂層單元中，這具體取決于PVD法的性質(zhì)。對(duì)于ARC-PVD法，具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)在靶子的背面向靶子提供冷卻板來(lái)改善溫度分布的做法十分常見(jiàn)，此板與靶子形狀配合地進(jìn)行接觸，同時(shí)具有有效的熱導(dǎo)率；或者此板借助于合適的結(jié)合法通過(guò)熔融方式與靶子接合。ARC-PVD法相比陰極濺射法的優(yōu)點(diǎn)在于，電離速率可以更高而且沉積速率也可以更高。結(jié)果，該方法更加經(jīng)濟(jì)，過(guò)程控制得到了改善，同時(shí)，由于能量生長(zhǎng)條件提高的原因，使得可以對(duì)涂層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生正面影響。常用的二硼化鈦涂層，鑒于它們的硬度比較高以及特別是優(yōu)良的耐磨性，作為與非鐵金屬接觸的硬質(zhì)材料涂層，但是通過(guò)ARC-PVD法進(jìn)行生產(chǎn)難度很大。二硼化鈦的防熱沖擊性低。因?yàn)樵贏RC-PVD法中的光弧意味著對(duì)靶子進(jìn)行的蒸發(fā)操作只在很狹窄的空間和時(shí)間帶內(nèi)進(jìn)行，所以二硼化鈦的這些性質(zhì)導(dǎo)致熱應(yīng)力很大，因此，靶子可能過(guò)早遭到損壞。參考文獻(xiàn)《用于電弧-物理氣相沉積的陶瓷陰極形成和涂覆》(Ceramiccathodes for arc-physical vapour deposition development and application),0 ·諾泰克(0. Knotek)、F ·萊夫勒(F. LGffler ),表面與涂布技術(shù) 49 (Surface and coatingtechnology49) (1991)，第263頁(yè)到第267頁(yè)，描述了如何通過(guò)對(duì)純的二硼化鈦粉末進(jìn)行HIP (熱等靜壓)來(lái)生產(chǎn)二硼化鈦ARC靶子，其中粉末中加入了重量比小于I %的鋁和鎳等各類(lèi)金屬添加劑以及硼和碳等非金屬添加劑；以及如何使用這些ARC蒸發(fā)源來(lái)生產(chǎn)二硼化欽涂層。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，具體來(lái)說(shuō)，為了可以通過(guò)ARC-PVD法來(lái)生產(chǎn)涂層，HIP (熱等靜壓)法的應(yīng)用對(duì)于二硼化鈦靶子的生產(chǎn)十分重要。然而，以此方式生產(chǎn)的二硼化鈦靶子仍不具有必需的防熱沖擊性，而這一性質(zhì)是讓ARC-PVD涂布法在實(shí)務(wù)中順利實(shí)施所必須的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種二硼化鈦靶子，其在使用過(guò)程中也不會(huì)在ARC涂布法的實(shí)務(wù)方面出現(xiàn)問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)在于，二硼化鈦粒子的平均粒度介于I μ m與20 μ m之間，碳含量介于重量比為O. 1%到5%的范圍內(nèi)，鐵、鎳、鈷和/或鉻的總含量介于500yg/g到3000 μ g/g的范圍內(nèi)，并且碳以自由形態(tài)分布在二硼化鈦粒子的粒子邊界，使得各個(gè)碳顆粒之間的平均距離小于20 μ m ;并且在于，孔隙率為體積比小于5%。此處重要的是，所述金屬成分中至少一種存在于所述的范圍內(nèi)，當(dāng)然，進(jìn)一步地，如銅或鋁等低熔點(diǎn)金屬成分也可以存在，但是這類(lèi)金屬始終無(wú)法通過(guò)自身獲得所需的效果O 二硼化鈦粒子的平均粒度通過(guò)激光衍射法來(lái)確定。具體來(lái)說(shuō)，此處的優(yōu)點(diǎn)是，如果碳含量的范圍是重量比從0.5%到3%，那么鐵這種金屬成分所占比例為從1000 μ g/g到2000 μ g/g,并且TiB2粒子的平均粒度介于2 μ m與10 μ m之間。已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明，碳分布以及處于所述范圍內(nèi)的金屬添加物分布是完全均勻的，利用這一優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)出來(lái)的二硼化鈦靶子可以在即使是使用ARC-PVD法的情況下進(jìn)行蒸發(fā)而不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題、不會(huì)產(chǎn)生使靶子發(fā)生局部或完全碎裂的熱應(yīng)力。這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)在于，TiB2粉末和石墨粉末的起始粉末混合物在研磨組件中使用研磨珠粒進(jìn)行研磨，研磨珠粒包括選自由以下物質(zhì)組成的群組的一種或多種金屬Fe、Ni、Co以及Cr,研磨直到Fe、Ni、Co及/或Cr的總量處于從500 μ g/g到3000 μ g/g的范圍內(nèi)為止；以及在于，對(duì)完全研磨好的粉末混合物進(jìn)行的壓縮使用的方法是熱壓法，壓制壓力介于從IOMPa到40MPa的范圍內(nèi)，并且溫度在從1600°C到2000°C的范圍內(nèi)。此處重要的是，金屬片斷的添加不以粉末形式進(jìn)行，而是通過(guò)包括所列金屬中的至少一種的研磨珠粒，完全以接受磨蝕的材料形式引入。所述方法的優(yōu)勢(shì)特別是，TiB2粉末和石墨粉末的起始粉末混合物在磨碎機(jī)中使用研磨鐵珠進(jìn)行研磨直到鐵含量處于從500 μ g/g到3000 μ g/g的范圍內(nèi)，以及對(duì)研磨好的粉末混合物進(jìn)行的壓縮使用的方法是熱壓法，壓制壓力介于從25MPa到35MPa的范圍內(nèi)，并且溫度在從1650°C到1850°C的范圍內(nèi)。研磨操作基本上是為了實(shí)現(xiàn)碳和金屬成分的均勻分布。使金屬添加物進(jìn)入指定范圍內(nèi)一般所花的研磨時(shí)間的量級(jí)范圍為大約10分鐘到120分鐘,這具體取決于使用的研磨機(jī)的類(lèi)型。將磨碎機(jī)用作研磨機(jī)可以讓合并操作特別快速。靶子生產(chǎn)的另一個(gè)十分關(guān)鍵的因素是，對(duì)完全研磨好的粉末混合物進(jìn)行的壓縮并非通過(guò)HIP法來(lái)完成，而是使用熱壓法在所述的壓制壓力和溫度范圍下進(jìn)行的。因此，無(wú)需加入起始粉末混合物，而這卻是使用HIP法施加等靜壓壓力所必需的，結(jié)果，所述方法更具成本效益；并且特別是，避免了壓縮后靶子中產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力；在使用HIP法的情況下，由于內(nèi)含材料以及二硼化鈦的熱膨脹系數(shù)差別很大，這種應(yīng)力本來(lái)是會(huì)出現(xiàn)的。在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)“熱壓法”包括熱壓法的所有變體形式，包括或不包括直流渡越(direct current transit),例如，SPS (放電等離子燒結(jié))法或FAST (場(chǎng)輔助燒結(jié)技術(shù))法。


無(wú)
具體實(shí)施例方式下文參考生產(chǎn)實(shí)例和圖式說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)例I實(shí)驗(yàn)時(shí),根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)直徑為60mm以及厚度為8mm的小圓盤(pán)形祀子。所用的起始材料是二硼化鈦粉末，其中硼含量占重量比30. 88%，鐵含量占重量比O. 023 %，碳含量占重量比O. 020 %，剩余部分是鈦，且平均粒度d50為2. 39 μ m。在罐式混合器中，使用8000g直徑為15mm的鋼珠，對(duì)1980g這種二硼化鈦粉末研磨2個(gè)小時(shí)，其中添加20g的石墨和2000g的異丙醇。所述粉末混合物隨后通過(guò)蒸發(fā)乙醇加以干燥?；瘜W(xué)分析結(jié)果是，粉末混合物中鐵含量占重量比O. 154%，對(duì)應(yīng)于1540 μ g/g，并且碳含量占重量比I. 0%。隨后使用石墨工具在熱壓法下壓縮所述粉末混合物，其中最大壓制壓力為30MPa，并且最高溫度為1830°C，時(shí)間持續(xù)40分鐘，結(jié)果形成直徑為60mm以及厚度為8mm的小圓盤(pán)。熱壓法的結(jié)果是，材料的密度達(dá)到了 4. 4g/cm3，對(duì)應(yīng)于理論密度98%。圖I所示為2500倍的放大下，本發(fā)明靶子的斷裂面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微照片。顯微照片中可以清楚地看到在TiB2粒子的粒子邊界處的黑色薄片狀石墨顆粒，它們之間的平均距離的量級(jí)大約是ΙΟμπι。另外可以看到，所述微觀(guān)結(jié)構(gòu)的密度很大，孔隙率很低。實(shí)例2為進(jìn)行比較，生產(chǎn)具有與實(shí)例I相同尺寸的靶子，其中采用類(lèi)似的生產(chǎn)參數(shù)，但并不根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行，其中不添加碳。所用的起始材料是二硼化鈦粉末，其中硼含量占重量比31. 71%，鐵含量占重量比O. 032%，碳含量占重量比O. 044%，剩余部分是鈦，且平均粒度d50為4. 48 μ m。在罐式混合器中，使用800g直徑為15mm的鋼珠，對(duì)200g這種二硼化鈦粉末研磨3個(gè)小時(shí)，其中添加200g的異丙醇。所述粉末隨后通過(guò)蒸發(fā)乙醇加以干燥?；瘜W(xué)分析結(jié)果是，鐵含量占重量比
O.119%,對(duì)應(yīng)于1190 μ g/g，并且碳含量占重量比O. 050%。隨后在熱壓法下壓縮所述粉末，其中最大壓制壓力為30MPa，并且最高溫度為1800°C，時(shí)間持續(xù)20分鐘。熱壓法的結(jié)果是，材料的密度達(dá)到了 4. 4g/cm3，對(duì)應(yīng)于理論密度98%。實(shí)例3為進(jìn)行比較，生產(chǎn)具有與實(shí)例I相同尺寸的兩個(gè)靶子，其中采用類(lèi)似的生產(chǎn)參數(shù)，但并不根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行，其中不添加碳并且不對(duì)起始粉末進(jìn)行研磨。所用的起始材料是二硼化鈦粉末，其中硼含量占重量比31.4%，鐵含量占重量比
O.028%，碳含量占重量比O. 042%，剩余部分是鈦，且平均粒度d50為3. 81 μ m。隨后在熱壓法下壓縮所述起始粉末，其中一次最大壓力為30MPa并且最高溫度為1800°C，時(shí)間持續(xù)60分鐘，另一次最大壓制壓力為30MPa并且最高溫度為2200°C，時(shí)間持續(xù)30分鐘。在第一種情況下，熱壓法生產(chǎn)出的靶子的材料密度是3. 3g/cm3，對(duì)應(yīng)于理論密度73% ;并且在第二種情況下，靶子的材料密度達(dá)到3. 4g/cm3，對(duì)應(yīng)于理論密度76%。在比較實(shí)驗(yàn)中，將根據(jù)實(shí)例I和實(shí)例2生產(chǎn)的靶子安裝到鑰陰極固持器中，其中具有用于熱接觸的石墨薄片?！そ又贏RC-PVD單元中研究對(duì)應(yīng)陰極的性質(zhì)，涂布參數(shù)如下-ARC 電流 60A-70A-電壓2IV-室溫度24 °C-操作壓力I.5Pa的氬。由于密度較低，根據(jù)實(shí)例3生產(chǎn)出的靶子在接受機(jī)器處理以安裝到陰極固持器中時(shí)便受損，因此無(wú)法使用。在60分鐘的操作中，根據(jù)本發(fā)明和實(shí)例I生產(chǎn)出的靶子性質(zhì)穩(wěn)定。靶子上完全看不到裂紋并且表面光滑，厚度減少I(mǎi)到2mm。未根據(jù)本發(fā)明但根據(jù)實(shí)例2生產(chǎn)出的靶子僅在幾分鐘的操作后便出現(xiàn)裂紋，并且此后不久便完全受損。根據(jù)比較實(shí)例2和3生產(chǎn)出的靶子清楚地顯示，對(duì)于研磨過(guò)程中完全通過(guò)被磨蝕的材料引入到起始粉末中的碳和小部分鐵來(lái)說(shuō)，碳的添加和小部分鐵的均勻分布都是為確保靶子具有優(yōu)良的功能性所必需的。本發(fā)明絕非受限于所述的生產(chǎn)實(shí)例。因此，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明還包括通過(guò)結(jié)合方法以熔融方式與由鑰等制成的冷卻板形成一體的靶子。
權(quán)利要求
1.一種用于物理氣相沉積的二硼化鈦靶子，其包括一種或多種金屬的片斷，所述金屬選自由以下物質(zhì)組成的群組鐵、鎳、鈷以及鉻；并且所述靶子還包括碳，其特征在于 TiB2粒子的平均粒度介于I μ m到20 μ m之間； 碳含量介于重量比為O. 1%到5%的范圍內(nèi)； Fe、Ni、Co及/或Cr的總含量介于500 μ g/g到3000 μ g/g的范圍內(nèi)； 碳以自由形態(tài)分布在TiB2S子的粒子邊界，使得各個(gè)碳顆粒之間的平均距離小于20 μ m ； 孔隙率為體積比小于5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二硼化鈦靶子，其特征在于，所述碳含量介于重量比為O.5%到3%的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的二硼化鈦靶子，其特征在于，TiB2粒子的平均粒度介于2μ m 至Ij 10 μ m 之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I到3中任一權(quán)利要求所述的二硼化鈦靶子，其特征在于，其包含的Fe含量介于從1000 μ g/g到2000 μ g/g的范圍內(nèi)。
5.一種用于生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求I到3中任一權(quán)利要求所述的二硼化鈦靶子的方法，其特征在于，TiB2粉末和石墨粉末的起始粉末混合物在研磨組件中使用研磨珠粒進(jìn)行研磨，研磨珠粒包括選自由以下物質(zhì)組成的群組的一種或多種金屬Fe、Ni、Co以及Cr,研磨直到Fe、Ni、Co及/或Cr的總量介于從500 μ g/g到3000 μ g/g的范圍內(nèi)為止；以及其特征在于，對(duì)完全研磨好的粉末混合物進(jìn)行的壓縮使用的方法是熱壓法，壓制壓力介于從IOMPa到40MPa的范圍內(nèi)，并且溫度介于從1600°C到2000°C的范圍內(nèi)。
6.一種用于生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求4所述的二硼化鈦蒸發(fā)源的方法，其特征在于，TiB2粉末和石墨粉末的起始粉末混合物在磨碎機(jī)中使用研磨鐵珠進(jìn)行研磨直到鐵含量介于從.1000 μ g/g到2000 μ g/g的范圍內(nèi)，以及特征在于，對(duì)研磨好的粉末混合物進(jìn)行的壓縮使用的方法是熱壓法，壓制壓力介于從25MPa到35MPa的范圍內(nèi)，并且溫度介于從1600°C到.1850°C的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二硼化鈦靶子，所述靶子包括一種或多種金屬的片斷，所述金屬選自由以下物質(zhì)組成的群組鐵、鎳、鈷以及鉻；并且所述靶子還包括碳。根據(jù)本發(fā)明，TiB2粒子的平均粒度介于1μm到20μm之間，碳含量介于重量比為0.1％到5％的范圍內(nèi)，并且Fe、Ni、Co及/或Cr的總含量介于500μg/g到3000μg/g的范圍內(nèi)。碳以自由形態(tài)分布在TiB2粒子的粒子邊界，使得各個(gè)碳顆粒之間的平均距離小于20μm?？紫堵蕿轶w積比小于5％。
文檔編號(hào)C23C14/06GK102869807SQ201180021702
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者M·歐蘇利文 申請(qǐng)人:攀時(shí)歐洲公司