[发明专利]真空气体保护压力烧结制备TiB2直流磁控溅射镀膜靶

说明书

技术领域

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

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涂层的抗氧化温度不超过750℃，仍不能满足高速切削和干式切削对涂层提出的要求。

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。

利用CVD法，当基体温度等于或低于500℃时，在石墨基体上沉积的TiB₂是非晶态的。在这一温度范围内，TiB₂膜是过化学计量比的。随着基体温度的升高，大约在600℃，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＝600℃的6nm增加到Ts＝900℃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增加到Ts＝1000℃的110nm。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。

对于PVD法沉积的镀层来说，Ts＝600℃时为微晶结构，但当基体温度增加到1300℃，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℃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(0.2μm·min^-1)，得到的是TiB₂，而在较高的沉积速率下(6.3μm·min^-1)，膜层是缺B的，特别是在高温下更是如此。

总结以上两种制取TiB₂镀层的方式，由CVD法沉积的TiB₂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。

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高。