权利要求
1.一种高密度均匀化钪
铝合金溅射靶材，其特征在于，组成元素包括Sc和Al，其中Sc原子百分比为40~50at%;所述靶材的相对密度≥99.5%，氧含量≤80ppm，微观结构中含有不少于10vol%的Al-rich延性相，所述Al-rich延性相中Al≥90at%，Sc≤5at%，所述Al-rich延性相形成连续或半连续分布的网络;微观结构中还含有第二相，所述第二相为Al3Sc和/或Al2Sc颗粒，所述第二相均匀分布于Al-rich延性相网络之中，且第二相颗粒尺寸≤30μm。
2.根据权利要求1所述的高密度均匀化钪铝合金溅射靶材，其特征在于：
所述Al-rich延性相的体积分数为15~30vol%;
所述氧含量≤50ppm。
3.根据权利要求1所述的高密度均匀化钪铝合金溅射靶材，其特征在于，组成元素还包括总量≤0.5at%的微量添加元素，所述微量添加元素选自Zr、B、Si中的至少一种。
4.根据权利要求1~3任意一项所述的高密度均匀化钪铝合金溅射靶材，其特征在于，所述靶材的直径为300~450mm，厚度为8~20mm。
5.一种制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1~4任意一项所述的高密度均匀化钪铝合金溅射靶材，所述制备方法包括如下步骤：
S1.选取纯度≥99.99%的原料，按比例配料，所述原料包括
高纯铝块和高纯钪块;
S2.在真空条件下熔炼并浇铸得到合金铸锭;
S3.将所述合金铸锭进行气雾化制粉，雾化气体压力为2~5MPa，冷却速率>105K/s，得到平均粒度10~100μm的合金粉末;
S4.将所述合金粉末在430~480℃、压力80~120MPa条件下进行放电等离子烧结，保温时间5~15分钟，得到烧结体。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S4之后还包括如下步骤：
S5.将所述烧结体在320~380℃下进行变形量10~30%的热锻整形。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中气雾化制粉的熔体过热度为150~300℃，粉末平均粒度为40~60μm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中真空熔炼的真空度≤10-2Pa，熔炼温度1200~1400℃，保温时间10~20分钟，浇铸采用水冷
铜模块快速冷却。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述原料还包括高纯Zr、B或Si中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S5具体包括如下子步骤：
S51.将所述烧结体加热至320~380℃，保温10~30分钟;
S52.在加热保温后的烧结体上施加轴向或径向压力，进行单向或多向锻造，锻造速率控制在0.1~5mm/s，单次变形量控制在15%~25%;
S53.锻造完成后立即冷却至室温，冷却速率≤20℃/min。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及溅射靶材技术领域，尤其涉及一种高密度均匀化钪铝合金溅射靶材及其制备方法。
背景技术
[0002]现有钪铝合金溅射靶材主要采用熔炼铸造工艺或传统
粉末冶金工艺制备。随着AlScN压电薄膜在5G/6G射频滤波器、XBAR、MEMS等高端应用中的需求，高Sc含量(>40at%)钪铝合金靶材可显著提升薄膜的压电系数d33和机电耦合系数。然而，当Sc原子百分比过高(超过40at%)时，合金内微观结构以脆性的金属间化合物相为主，铝基延性相(Al-rich相)的体积分数急剧降低，通常不足5vol%，导致靶材整体脆性增大，在机加工、大尺寸成型及溅射过程中极易出现开裂、崩边或断裂等问题。同时，脆性相主导的结构会引起溅射过程中弧光不稳、颗粒污染严重、薄膜成分波动大，严重制约了大尺寸(直径≥300mm)高Sc含量靶材的工业化应用和溅射薄膜的质量稳定性。
发明内容
[0003]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高密度均匀化钪铝合金溅射靶材及其制备方法，具体技术方案为：
一种高密度均匀化钪铝合金溅射靶材，组成元素包括Sc和Al，其中Sc原子百分比为40~50at%;所述靶材的相对密度≥99.5%，氧含量≤80ppm，微观结构中含有不少于10vol%的Al-rich延性相，所述Al-rich延性相中Al≥90at%，Sc≤5at%，所述Al-rich延性相形成连续或半连续分布的网络;微观结构中还含有第二相，所述第二相为Al3Sc和/或Al2Sc颗粒，所述第二相均匀分布于Al-rich延性相网络之中，且第二相颗粒尺寸≤30μm。
[0004]优选地：
所述Al-rich延性相的体积分数为15~30vol%;
所述氧含量≤50ppm。
[0005]优选地，组成元素还包括总量≤0.5at%的微量添加元素，所述微量添加元素选自Zr、B、Si中的至少一种。
[0006]优选地，所述靶材的直径为300~450mm，厚度为8~20mm。
[0007]本发明还提供一种制备方法，用于制备如上述任意一项所述的高密度均匀化钪铝合金溅射靶材，所述制备方法包括如下步骤：
S1.选取纯度≥99.99%的原料，按比例配料，所述原料包括高纯铝块和高纯钪块;
S2.在真空条件下熔炼并浇铸得到合金铸锭;
S3.将所述合金铸锭进行气雾化制粉，雾化气体压力为2~5MPa，冷却速率>105K/s，得到平均粒度10~100μm的合金粉末;
S4.将所述合金粉末在430~480℃、压力80~120MPa条件下进行放电等离子烧结，保温时间5~15分钟，得到烧结体。
[0008]优选地，步骤S4之后还包括如下步骤：
S5.将所述烧结体在320~380℃下进行变形量10~30%的热锻整形。
[0009]优选地，步骤S3中气雾化制粉的熔体过热度为150~300℃，粉末平均粒度为40~60μm。
[0010]优选地，步骤S2中真空熔炼的真空度≤10-2Pa，熔炼温度1200~1400℃，保温时间10~20分钟，浇铸采用水冷铜模块快速冷却。
[0011]优选地，步骤S1中所述原料还包括高纯Zr、B或Si中的至少一种。
[0012]优选地，步骤S5具体包括如下子步骤：
S51.将所述烧结体加热至320~380℃，保温10~30分钟;
S52.在加热保温后的烧结体上施加轴向或径向压力，进行单向或多向锻造，锻造速率控制在0.1~5mm/s，单次变形量控制在15%~25%;
S53.锻造完成后立即冷却至室温，冷却速率≤20℃/min。
[0013]本发明提供的高密度均匀化钪铝合金溅射靶材具有如下有益效果：
根本解决了高Sc含量(40~50at%)靶材脆性大、易开裂的技术问题：通过在微观结构中引入不少于10vol%的Al-rich延性相并形成连续或半连续网络，该延性相网络有效包裹细小第二相颗粒，大幅提高了靶材的韧性和抗裂能力，使靶材在机加工、大尺寸成型以及溅射使用过程中不易发生开裂、崩边或断裂，显著提升加工合格率和使用可靠性。
[0014]显著改善溅射过程稳定性与薄膜质量：高相对密度结合低氧含量和高度均匀的微观结构，使溅射弧光稳定、颗粒污染大幅减少、薄膜中Sc含量分布均匀，从而获得压电性能优异、成分稳定的AlScN薄膜，满足5G/6G射频滤波器等高端应用需求。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0016]图1为本发明实施方式提供的实施例1气雾化钪
铝合金粉末SEM图像;
图2为本发明实施方式提供的实施例1靶材微观结构SEM图像;
图3为本发明实施方式提供的实施例1靶材XRD图谱。
具体实施方式
[0017]为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
[0018]本实施方式提供一种高密度均匀化钪铝合金溅射靶材，组成元素包括Sc和Al，其中Sc原子百分比为40~50at%;靶材的相对密度≥99.5%，氧含量≤80ppm，微观结构中含有不少于10vol%的Al-rich延性相，Al-rich延性相中Al≥90at%，Sc≤5at%，Al-rich延性相形成连续或半连续分布的网络;微观结构中还含有第二相，第二相为Al3Sc和/或Al2Sc颗粒，第二相均匀分布于Al-rich延性相网络之中，且第二相颗粒尺寸≤30μm。
[0019]具体来说，本实施方式提供的靶材通过气雾化快速凝固与低温短时放电等离子烧结(SPS)相结合的工艺路径实现上述微观结构。在气雾化制粉阶段，高冷却速率(>105K/s)使合金熔体发生显著的非平衡凝固，过饱和固溶体中析出细小第二相的同时，大量冻结并保留Al-rich延性相，形成初始的网络状分布。随后在SPS致密化阶段，采用430~480℃的低温窗口和5~15分钟的短时保温，结合高升温速率和高压力，快速完成致密化过程，同时有效抑制长程原子扩散，避免Al-rich延性相向平衡脆性相的转变，从而在高Sc含量下成功保留不少于10vol%的Al-rich延性相并保持其连续或半连续网络形态。该网络状Al-rich延性相包裹并隔离细小第二相颗粒(尺寸控制在≤30μm)，形成类似“软基体包裹硬颗粒”的复合结构，在受力时延性相网络可有效吸收和分散应力，阻碍裂纹萌生与扩展，从而显著提升靶材整体韧性。同时，高密度和低氧含量确保了成分均匀性和纯净度，第二相的细小均匀分布进一步保证了溅射过程的稳定性。
[0020]本实施方式提供的高密度均匀化钪铝合金溅射靶材具有如下有益效果：
根本解决了高Sc含量(40~50at%)靶材脆性大、易开裂的技术问题：通过在微观结构中引入不少于10vol%的Al-rich延性相并形成连续或半连续网络，该延性相网络有效包裹细小第二相颗粒，大幅提高了靶材的韧性和抗裂能力，使靶材在机加工、大尺寸成型以及溅射使用过程中不易发生开裂、崩边或断裂，显著提升加工合格率和使用可靠性。
[0021]显著改善溅射过程稳定性与薄膜质量：高相对密度结合低氧含量和高度均匀的微观结构，使溅射弧光稳定、颗粒污染大幅减少、薄膜中Sc含量分布均匀，从而获得压电性能优异、成分稳定的AlScN薄膜，满足5G/6G射频滤波器等高端应用需求。
[0022]进一步地：
Al-rich延性相的体积分数为15~30vol%。
[0023]氧含量≤50ppm。
[0024]具体来说，在气雾化阶段，采用更高的冷却速率和适宜的熔体过热度(150~300℃)，进一步促进非平衡凝固过程中Al-rich延性相的冻结，使其初始体积分数更高;随后在SPS阶段，严格控制烧结温度在430~470℃区间并缩短保温时间至8~12分钟，最大限度抑制Al-rich延性相的分解或溶解，从而在最终靶材中稳定保留15~30vol%的较高体积分数。同时，整个工艺在高真空或惰性气体保护下进行，结合气雾化粉末的高球形度和低初始氧含量，以及SPS快速致密化的特性，有效控制氧增量，最终将氧含量降低至≤50ppm。较高的Al-rich延性相体积分数使连续或半连续网络更加发达和致密，进一步增强对脆性第二相颗粒的包裹和应力缓冲作用;更低的氧含量则减少了氧化物夹杂对微观结构的破坏，进一步提升了延性相网络的完整性和靶材的整体纯净度。
[0025]进一步地，组成元素还包括总量≤0.5at%的微量添加元素，微量添加元素选自Zr、B、Si中的至少一种。
[0026]具体来说，这些微量元素在气雾化快速凝固过程中优先在第二相晶核周围偏聚，或形成细小弥散的新相(如Al3Zr)，发挥晶界钉扎和异质形核作用，显著细化第二相颗粒尺寸并抑制其长大。同时，由于添加量严格控制在≤0.5at%，这些元素不会显著改变Al-rich延性相的体积分数或网络形态，也不会引入新的脆性相，而是进一步优化现有微观结构的均匀性和稳定性。在后续SPS低温短时烧结中，这些微量元素仍保持弥散分布，进一步增强对第二相颗粒的细化效果。
[0027]进一步地，靶材的直径为300~450mm，厚度为8~20mm。
[0028]本实施方式还提供一种制备方法，用于制备如上述任意一项的高密度均匀化钪铝合金溅射靶材，制备方法包括如下步骤：
S1.选取纯度≥99.99%的原料，按比例配料，原料包括高纯铝块和高纯钪块。
[0029]S2.在真空条件下熔炼并浇铸得到合金铸锭。
[0030]S3.将合金铸锭进行气雾化制粉，雾化气体压力为2~5MPa，冷却速率>105K/s，得到平均粒度10~100μm的合金粉末。
[0031]S4.将合金粉末在430~480℃、压力80~120MPa条件下进行放电等离子烧结，保温时间5~15分钟，得到烧结体。
[0032]其中，S1和S2步骤确保原料高纯度和初步合金化，避免宏观偏析。S3气雾化步骤利用高冷却速率实现强烈的非平衡凝固，在粉末中冻结大量Al-rich延性相并形成初始网络，同时析出细小第二相颗粒，粉末球形度高、氧增量低、成分均匀。S4低温SPS步骤通过快速升温和高压，在极短保温时间内完成致密化，同时显著抑制Sc和Al原子的长程扩散，避免非平衡Al-rich延性相向平衡脆性相的转变，从而在高Sc含量靶材中成功保留不少于10vol%的Al-rich延性相连续或半连续网络，第二相颗粒保持细小且均匀分布，最终获得相对密度≥99.5%、氧含量≤80ppm的高性能靶材。
[0033]进一步地，步骤S4之后还包括如下步骤：
S5.将烧结体在320~380℃下进行变形量10~30%的热锻整形。
[0034]具体来说，该步骤利用SPS后烧结体已具备高密度和保留完好Al-rich延性相网络的有利基础，在Al-rich延性相具有一定塑性流动能力的温和温度区间施加适度变形。低温热锻促进残余微孔的闭合，同时使Al-rich延性相网络沿变形方向适度延伸，进一步优化其连续性和对第二相颗粒的包裹效果;适中的变形量避免过度变形导致的相变或裂纹，同时细化第二相颗粒分布。该温度远低于常规烧结温度，不会引发Al-rich延性相的显著分解或氧含量的增加，从而在保持原有非平衡微观结构的前提下，进一步提升靶材的致密度、韧性和结构均匀性。
[0035]进一步地，步骤S3中气雾化制粉的熔体过热度为150~300℃，粉末平均粒度为40~60μm。
[0036]其中，熔体过热度控制在150~300℃可确保熔体具有适宜的流动性和过冷度，避免过低过热度导致的雾化不畅或过高过热度引起的冷却速率下降;在2~5MPa雾化压力和高冷却速率(>105K/s)条件下，获得平均粒度40~60μm的细小粉末。该粒度范围的粉末具有更高的比表面积激活性和更均匀的非平衡凝固效果，进一步促进Al-rich延性相的冻结和初始网络形成，同时第二相析出更细小弥散。
[0037]进一步地，步骤S2中真空熔炼的真空度≤10-2Pa，熔炼温度1200~1400℃，保温时间10~20分钟，浇铸采用水冷铜模块快速冷却。
[0038]其中，高真空度有效排除气体杂质，减少熔体氧拾取;熔炼温度1200~1400℃和短时保温确保Sc和Al充分合金化同时避免挥发损失;水冷铜模快速冷却抑制宏观偏析，形成成分均匀的铸锭。该步骤为后续气雾化提供纯净、均匀的熔体基础，减少铸锭中粗大脆性相的预形成，确保高纯度和低氧起点，为最终靶材中Al-rich延性相的有效冻结和低氧含量奠定前提。
[0039]进一步地，步骤S1中原料还包括高纯Zr、B或Si中的至少一种。
[0040]进一步地，步骤S5具体包括如下子步骤：
S51.将烧结体加热至320~380℃，保温10~30分钟。
[0041]S52.在加热保温后的烧结体上施加轴向或径向压力，进行单向或多向锻造，锻造速率控制在0.1~5mm/s，单次变形量控制在15%~25%。
[0042]S53.锻造完成后立即冷却至室温，冷却速率≤20℃/min。
[0043]具体来说，该子步骤针对高Sc含量钪铝合金非平衡微观结构的特性，进行了优化的温和热锻工艺。S51加热保温步骤确保烧结体温度均匀分布，同时在Al-rich延性相具有最佳塑性流动能力的低温区间激活其变形能力，而不会达到引发长程扩散或相变的分界温度，从而避免延性相网络破坏或第二相过度长大。S52锻造步骤通过控制较低的锻造速率和适中的单次变形量，促进残余孔隙的有效闭合、Al-rich延性相的定向延伸与网络连续性优化，以及第二相颗粒的均匀再分布，同时轴向/径向或多向锻造方式进一步消除各向异性。S53控制冷却步骤保留热变形过程中形成的细化非平衡结构，防止快速冷却引起的内应力或缓慢冷却导致的延性相减少。各子步骤协同作用，在不牺牲原有Al-rich延性相体积分数和低氧含量的前提下，进一步完善微观结构的韧性协调机制。
[0044]下面提供具体实施例，提供的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0045]实施例1
步骤1、原料准备
选用高纯铝块(纯度99.99%)423 g、高纯钪块(纯度99.99%)577 g，原料经表面清洗、烘干后，按比例精确配料。
[0046]步骤2、真空熔炼铸锭
采用
真空感应熔炼炉，真空度抽至8×10-3Pa，熔炼温度1300℃，保温时间15 min。熔体搅拌均匀后浇铸至水冷铜模(冷却速率约100℃/s)，得到直径约60 mm的合金铸锭，质量约998 g。
[0047]步骤3、气雾化制粉
采用惰性气体雾化系统(高纯Ar保护)，熔体过热度200℃，雾化气体压力4.0 MPa，冷却速率约2×105K/s。制得合金粉末平均粒度52 μm，粉末球形度高，收得率约92%。
[0048]步骤4、低温放电等离子烧结(SPS)
采用放电等离子烧结炉，粉末装入直径80 mm石墨模具(内壁涂BN脱模剂)，真空度抽至6×10-3Pa。升温速率150℃/min，烧结温度460℃，轴向压力100 MPa，保温时间10 min，脉冲模式占空比12:2。烧结完成后随炉冷却，得到直径80 mm、厚度约15 mm的烧结体。
[0049]步骤5、后处理
烧结体经车削、磨削加工成测试所需样块和样条，表面抛光至Ra 0.4μm。
[0050]步骤6、按如下测试方法测试
密度测试：阿基米德排水法，在25℃蒸馏水中进行，重复测量5次取平均值。
[0051]氧含量测试： ONH836
氧氮氢分析仪，惰性气体熔融-红外吸收法，取样品3份。
[0052]成分分析与均匀性测试：ICP-OES测整体成分; SEM结合EDS，在横截面均匀选取8点映射Sc分布，计算偏差。
[0053]微观结构表征：SEM观察粉末形貌及靶材相分布;SEM-EDS面扫描计算Al-rich相体积分数;SEM统计第二相颗粒尺寸;XRD鉴定物相。
[0054]力学性能测试：HV-1000维氏硬度计(载荷1 kg，保载10 s，10点平均);万能试验机三点弯曲测试(跨距30 mm，加载速率0.5 mm/min，3根样条)。
[0055]测试数据如下表1所示：
实施例2
步骤1、原料准备
选用高纯铝块(纯度99.99%)419.8 g、高纯钪块(纯度99.99%)575 g、高纯锆块(纯度99.99%)5.2 g，原料经表面清洗、烘干后，按比例精确配料。
[0056]步骤2、真空熔炼铸锭
采用真空感应熔炼炉，真空度抽至8×10-3Pa，熔炼温度1300℃，保温时间15 min。熔体搅拌均匀后浇铸至水冷铜模(冷却速率约100℃/s)，得到直径约60 mm的合金铸锭，质量约997 g。
[0057]步骤3、气雾化制粉
采用惰性气体雾化系统(高纯Ar保护)，熔体过热度200℃，雾化气体压力4.0 MPa，冷却速率约2×105 K/s。制得合金粉末平均粒度49 μm，粉末球形度高，收得率约93%。
[0058]步骤4、低温放电等离子烧结(SPS)
采用放电等离子烧结炉，粉末装入直径80 mm石墨模具(内壁涂BN脱模剂)，真空度抽至6×10-3Pa。升温速率150℃/min，烧结温度460℃，轴向压力100 MPa，保温时间10 min，脉冲模式占空比12:2。烧结完成后随炉冷却，得到直径80 mm、厚度约15 mm的烧结体。
[0059]步骤5、温和热锻整形
将烧结体加热至350℃，保温20 min;随后采用
液压机进行多向锻造，锻造速率2mm/s，单次变形量20%;锻造完成后控制冷却，冷却速率15℃/min至室温。
[0060]步骤6、后处理
热锻后烧结体经车削、磨削加工成测试所需样块和样条，表面抛光至Ra 0.4μm。
[0061]步骤7、按照同实施例1测试项目及方法进行测试，测试数据如下表2所示：
对比例
步骤1、原料准备
选用高纯铝块(纯度99.99%)423 g、高纯钪块(纯度99.99%)577 g，原料经表面清洗、烘干后，按比例精确配料。
[0062]步骤2、真空熔炼铸锭
采用真空感应熔炼炉，真空度抽至8×10-3Pa，熔炼温度1300℃，保温时间15 min。熔体搅拌均匀后浇铸至水冷铜模(冷却速率约100℃/s)，得到直径约60 mm的合金铸锭，质量约998 g。随后将铸锭机械加工成适合HIP包套的块体。
[0063]步骤3、热等静压(HIP)致密化
将加工后的铸锭块体装入不锈钢包套，抽真空密封后置于热等静压炉中。HIP参数：温度520℃，压力150 MPa，保温时间4小时。HIP完成后去除包套，得到致密化坏体(直径约75 mm、厚度约18 mm)。
[0064]步骤4、后处理
坏体经车削、磨削加工成测试所需样块和样条，表面抛光至Ra 0.4 μm。
[0065]步骤5、按照同实施例1测试项目及方法进行测试，测试数据如下表3所示：
由以上数据可以看出，实施例1与对比例相比，气雾化快速凝固+低温短时SPS工艺成功冻结并保留了高体积分数的Al-rich延性相，形成半连续网络，同时实现高密度、低氧和细小第二相，使靶材弯曲强度显著提升，加工无裂纹，彻底解决了背景技术中高Sc含量靶材脆性大、易开裂的核心问题。
[0066]实施例2在实施例1基础上引入微量Zr和温和热锻整形，进一步将Al-rich延性相体积分数提高，网络更连续;密度提升至99.860%，氧含量降低;弯曲强度再提升。这表明热锻子步骤(加热保温-控制锻造)有效闭合残余孔隙、优化网络连续性并增强韧性协调性。
[0067]本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应该在本发明的保护范围内。
说明书附图(3)
声明：
“高密度均匀化钪铝合金溅射靶材及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：株洲火炬安泰新材料有限公司
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