直流磁控溅射镀膜靶的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及IPC分类中C23C溅射法金属材料的镀覆技术或B32B层状产品的薄层构成的产品，应用于耐磨、耐蚀、抗高温、微电子等领域，尤其是真空气体保护压力烧结制备TiB2直流磁控溅射镀膜靶。
【背景技术】
[0002]硼化钛(TiB2)是一种具有高硬度和高稳定性的化合物，其硬度为35GPa，不但高于各种过渡金属氮化物的硬度，而且TiB2的摩擦系数也低于多数过渡金属氮化物，具有硬度高、熔点高、导电率高和热导率高、化学稳定性优良等一系列优异的理化性能。对于气蚀、腐蚀严重，工作温度很高，工作条件要求苛刻的许多工程应用来说，TiB2是一种很有希望的候选材料。例如用于需优异减磨性能的高速铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。但是，TiB2*层的抗氧化温度不超过750°C，仍不能满足高速切削和干式切削对涂层提出的要求。
[0003]将TiB2涂覆在不同的基体表面上的材料，在耐磨、耐蚀、抗高温、微电子等领域具有广阔的应用前景。传统的制取TiB2镀层的方法是以乙硼烷为原料通过CVD法制备和由熔化烧结快采用直接蒸发法制取。
[0004]利用CVD法，当基体温度等于或低于500°C时，在石墨基体上沉积的1182是非晶态的。在这一温度范围内，TiBJ莫是过化学计量比的。随着基体温度的升高，大约在600°C，膜层变成晶态的，但晶粒尺寸很小。通过X射线衍射峰半高宽的变化发现，晶粒尺寸由Ts =6000C的6nm增加到Ts = 900°C的26nm。同样是这些研究者还发现，沉积在石墨基体上的TiB2镀层，其晶粒尺寸从Ts = 800。。的48nm增加至Ij Ts = 1000。。的IlOnm0他们还发现，随着反应物中的Ti和B以及H和Cl浓度的变化，会引起晶粒尺寸出现同一数量级的变化。尽管这些变化还没有仔细地研究，但据信可能是Cl杂质的影响，氯的存在可能是由于行程了 TiCl2，这是一种较稳定的化合物。
[0005]对于PVD法沉积的镀层来说，Ts = 6000C时为微晶结构，但当基体温度增加到1300°C，膜层的X射线衍射峰变窄，获得膜层的结构具有(0001)择优取向。SEM发现，770°C时获得的这些膜层，断面形貌特点不显著。在较高的温度下，出现纤维状的形貌。容易发现，PVD沉积膜的结构和形貌取决于沉积速率。在较低的沉积速率下(0.2 μπι ^min1),得到的是TiB2，而在较高的沉积速率下(6.3 μπι *min》，膜层是缺B的，特别是在高温下更是如此。
[0006]总结以上两种制取TiB2镀层的方式，由CVD法沉积的TiB 2膜的硬度，随着沉积温度的增加达到最大值，而在更高的沉积温度下达到接近块体材料的硬度；对于PVD镀层，也观察到了同样的结果。然而，由CVD法生长的膜层比PVD镀层要硬一些。
[0007]总之，TiB2具有优良的综合性能，应用范围十分广泛。目前限制TiB2陶瓷快速发展的主要问题在于:原材料成本高；难以烧结致密化，制备出的靶材密度较低；不能制备尺寸比较大的靶材，大面积靶在制备过程中容易开裂；在热冲击环境下的抗热震性差，同时材料的其它性能有待进一步提尚。
[0008]中国专利申请201010237724.X 一种切削工具技术领域的硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法，纳米多层涂层由TiBjP Si 3N4两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，TiBJl的厚度为2?8nm，Si 3N4层厚为0.2?
0.8nm。制备方法如下:首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用在Ar气氛中双靶射频溅射方法交替沉积TiB2层和Si3N4层，制取TiB2/Si3N4纳米多层涂层，其中TiB2采用TiB 2靶直接溅射得到，而Si 3N4采用直接溅射Si 3N4化合物靶材提供。本发明所得的TiB2/Si3N4纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于37GPa，最高达到45GPa的硬度。本发明作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。
[0009]随着材料制备新技术和材料设计思想和方法的发展，TiB2#料性能将会进一步提高，其实际应用将越来越广泛。中国专利申请201110419340.4涉及一种具有纳米层状结构的二硼化钛/镍涂层及其制备方法，其特征在于该TiB2/Ni涂层是由金属Ni和TiBJI位复合而成，具有多层金属Ni层与1182陶瓷层相互叠加而成的纳米层状结构，其中每层的厚度为6-60nm，金属Ni含量为5_30at.%;所述TiB2/Ni涂层中金属Ni层与TiB2陶瓷层的层数为20-100000层，每层金属Ni层的厚度为l-10nm，每层11132层的厚度为5_50nmo
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种真空气体保护压力烧结制备1182直流磁控溅射镀膜靶，以得到性能优异的TiB2镀膜靶材。
[0011]本发明使用原材料为TiB2粉体，是外观颜色均匀一致的暗灰色粉末，无肉眼可见杂物；TiB2粉体理化性能包括:比重4.52g/cm3，熔点2980 °C，莫氏硬度> 9，电阻率12 μ Ω.Μ，与酸碱不起反应，耐磨、抗热震。
[0012]本发明的目的将通过以下技术措施来实现:对纯度为99.95%的1182粉体进行球磨处理，然后装模，使用T = 1000°C烧结，增压至IMPa，得到半成品，进行机械加工，确保所有平面保持平整，角度成直角，得到！182镀膜靶材；然后保持压力不变，将温度升高至1200°C和1300°C等，以此类推，分别做多组实验，以得出性能优异的TiB2镀膜靶材。
[0013]本发明的优点和效果:通过材料设计和采用活化烧结技术，提高了 TiBJ莫的硬度，镀膜过程稳定，膜层均匀。成本低，制备周期短，无需后处理等工艺，宜于实现工业生产，具有突出的应用价值。
【具体实施方式】
[0014]本发明原理在于，通过材料设计来制备高性能的TiB2基复合材料，包括采用特殊的制备方法，如自蔓延高温合成方法，获得低成本高性能的TiB2原材料；采用活化烧结技术，如添加各种金属或非金属添加剂，获得高致密度的TiB2材料；
[0015]本发明中，用真空或气体保护压力烧结法制备TiB2-，进一步的以所制得TiB2-材采用直流磁控溅射制取TiBJ莫。据检测试验证明，用真空压力烧结制备的TiB 2靶在镀膜过程中比直接蒸发法制取的膜有高硬度、膜层均匀、镀膜过程稳定等特点。
[0016]本发明中靶材制备流程包括:
[0017]I)对原料TiB2粉体进行球磨处理，得到粒度细而均匀的颗粒；
[0018]2)将处理过的粉末进行装模；
[0019]3)对装模后粉末进行烧结和增压处理，烧结温度范围为1000— 1800°C，压力范围为 IMPa—20MPa ；
[0020]4)经过烧结和增压处理得到半成品，对半成品进行加工处理将烧结完成的靶材坯体进行机械加工，确保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2镀膜靶材。
[0021]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0022]实施例1:对纯度为99.95%的TiB2粉体进行球磨处理，使其粒度小而均匀，然后装模，使用T = 100tC烧结，增压至IMPa，得到半成品，最后对半成品进行加工处理将烧结完成的靶材坯体进行机械加工，确保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2镀膜靶材。然后保持压力不变，将温度升高至1200°C和1300°C等，以此类推，分别做多组实验，以得出性能优异的TiB2镀膜靶材。
[0023]前述中，1182粉体外观颜色均匀一致的暗灰色粉末，无肉眼可见杂物；理化性能包括:比重4.52g/Cm3，熔点 2980°C，莫氏硬度>9，电阻率12μ Ω.M，与酸碱不起反应，耐磨、
抗热震。
【主权项】
1.真空气体保护压力烧结制备TiB2直流磁控溅射镀膜靶，其特征在于使用真空气体保护压力烧结，对纯度为99.95%的TiB2粉体进行球磨处理，然后装模，使用T = 1000C烧结，增压至IMPa，得到半成品，进行机械加工，确保所有平面保持平整，角度成直角，得到!182镀膜靶材；具体包含以下步骤: 1)对原料TiB2粉体进行球磨处理，得到粒度细而均匀的颗粒； 2)将处理过的粉末进行装模； 3)对装模后粉末进行烧结和增压处理，烧结温度范围为1000—1800°C，压力范围为IMPa—20MPa ； 4)经过烧结和增压处理得到半成品，对半成品进行加工处理将烧结完成的靶材坯体进行机械加工，确保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2镀膜靶材。2.如权利要求1所述的真空气体保护压力烧结制备TiB2直流磁控溅射镀膜靶，其特征就在于，以真空气体保护压力烧结制备，对纯度为99.95%的TiB2粉体进行球磨处理，使其粒度小而均匀，然后装模，使用T= 100tC烧结，增压至IMPa，得到半成品，最后对半成品进行加工处理将烧结完成的靶材坯体进行机械加工，确保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2镀膜靶材。然后保持压力不变，将温度升高至1200°C和1300°C等，以此类推，分别做多组实验，以得出性能优异的TiB2镀膜靶材。3.如权利要求1所述的真空气体保护压力烧结制备TiB2直流磁控溅射镀膜靶，其特征在于真空气体保护压力烧结制备，！182粉体外观颜色均匀一致的暗灰色粉末，无肉眼可见杂物JiB2粉体理化性能包括:比重4.52g/cm3，熔点2980 °C，莫氏硬度> 9，电阻率.12 μ Ω.Μ，与酸碱不起反应，耐磨、抗热震。
【专利摘要】真空气体保护压力烧结制备TiB2直流磁控溅射镀膜靶，对纯度为99.95％的TiB2粉体进行球磨处理，然后装模，使用T＝1000℃烧结，增压至1MPa，得到半成品，进行机械加工，确保所有平面保持平整，角度成直角，得到TiB2镀膜靶材；通过材料设计和采用活化烧结技术，提高了TiB2膜的硬度，镀膜过程稳定，膜层均匀。成本低，制备周期短，无需后处理等工艺，宜于实现工业生产，具有突出的应用价值。
【IPC分类】C04B35/645, C23C14/35, C23C14/06
【公开号】CN105018890
【申请号】CN201510504593
【发明人】贾泽夏, 庄志杰
【申请人】基迈克材料科技（苏州）有限公司
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年8月17日