权利要求
1.一种用于泛半导体设备腔体零部件的钛
铝复合熔射层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对基材(2)进行表面预处理;在所述基材(2)表面沉积钛熔射打底层(4)，所述钛熔射打底层(4)采用电弧熔射方式沉积，且在沉积过程中于喷枪出口区域施加局部惰性气氛保护，使熔射区域氧含量低于50 ppm，所述钛熔射打底层(4)的厚度为80–120 μm，表面粗糙度Rz为120 μm;在所述钛熔射打底层(4)上沉积铝熔射覆盖层(1)，所述铝熔射覆盖层(1)的厚度为200–300 μm，表面粗糙度Rz为150 μm;其中，通过控制钛熔射打底层(4)的原始熔射态形貌及后续铝熔射时间间隔，使二者之间形成厚度为2–5 μm的Al-Ti微扩散过渡区。
2.如权利要求1所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，所述基材(2)为不锈钢、
铝合金或
镍基合金中的一种，其表面经喷砂处理后粗糙度Rz为120 μm，喷砂所用磨料为粒径不大于50 μm的刚玉或
碳化硅。
3.如权利要求2所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，所述喷砂处理时压缩空气压力为0.5–0.7 MPa，喷砂角度为75°–85°，喷砂后基材(2)在60–80 ℃下烘干30分钟。
4.如权利要求1所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，所述钛熔射打底层(4)采用电弧熔射方式沉积，所用钛丝纯度不低于99.5%，熔射过程中在喷枪出口区域施加局部惰性气氛保护，所述惰性气氛为纯度不低于99.999%的氩气，流量不小于20 L/min，使熔射区域氧含量低于50 ppm。
5.如权利要求4所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，所述钛熔射打底层(4)沉积时电弧电流为200–300 A，电压为30–40 V，喷枪移动速度为0.8–1.2 m/min，喷涂距离为150–200 mm，沉积完成后钛层表面保持原始熔射态形貌，未进行打磨、抛光或热处理。
6.如权利要求1所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，所述铝熔射覆盖层(1)在大气环境下沉积，所用铝原料为纯度不低于99.5%的铝丝或球形铝粉，采用火焰熔射或电弧熔射方式实施。
7.如权利要求6所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，当采用火焰熔射方式时，燃气为丙烷与氧气的混合气体，体积比为1:1.2–1.5;当采用电弧熔射方式时，电流为180–250 A，电压为28–35 V，喷枪移动速度为1.0–1.5 m/min，喷涂距离为180–220 mm。
8.如权利要求1所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，所述铝熔射覆盖层(1)在钛熔射打底层(4)沉积完成后5分钟内开始沉积，且沉积过程中铝熔滴在钛层表面的接触角小于30°。
9.如权利要求1所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，所述铝熔射覆盖层(1)沉积完成后，工件在静止空气中自然冷却至室温，冷却速率不超过5 ℃/min。
10.如权利要求1所述的钛铝复合熔射层制备方法，其特征在于，所述钛熔射打底层(4)与铝熔射覆盖层(1)之间的界面过渡区包含由铝熔滴填充钛层表面微孔隙形成的机械互锁结构，以及由钛与铝元素在界面处发生有限固溶扩散形成的微扩散相，X射线衍射分析显示该过渡区主要物相为α-Ti与弥散分布的Al3Ti金属间化合物。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于表面工程与功能涂层技术领域，具体为一种用于泛半导体设备腔体的钛铝复合熔射层制备方法。
背景技术
[0002]在泛半导体制造设备中，腔体零部件长期处于高温、高真空及强等离子体侵蚀的严苛服役环境中，其内壁表面性能直接影响设备的稳定性、洁净度及使用寿命。为提升腔体内壁对沉积膜层的吸附能力、抗等离子体溅射能力以及耐腐蚀性能，热喷涂(熔射)技术被广泛应用于构建功能性防护涂层。目前，工业界主要采用铝(Al)或钛(Ti)单一材料进行熔射处理。其中，Al熔射工艺成熟、成本低廉，适用于常规工况，但其与基体的界面结合强度较低，在高应力或强腐蚀环境下易发生涂层剥离，难以满足先进制程对可靠性的要求;而Ti熔射虽具备优异的综合性能——包括抗拉强度≥900 MPa、密度低(约4.5 g/cm³)、耐腐蚀性突出(盐雾试验耐蚀时间≥1000 h)以及长期使用温度可达600 ℃——但其高化学活性导致必须在真空或惰性气氛中进行熔射，加工成本高达常规工艺的3–5倍，严重制约了其在大规模生产中的应用。因此，如何在兼顾经济性的同时实现高结合强度与高服役稳定性的统一，成为当前泛半导体设备腔体表面工程领域的关键技术难题。
[0003]针对上述矛盾，业界已有尝试通过构建铝钛复合涂层来融合两者优势。例如，公开号为CN119800271A的专利提出采用超音速火焰喷涂(HVOF)先在腔体表面熔射铝层作为底层，再在其上熔射钛层形成表层，并辅以真空热处理。然而，该方案存在明显缺陷：HVOF工艺虽能提高粒子速度，但仍处于开放大气环境中，钛在熔融状态下极易与氧气反应生成TiO2等脆性氧化物，显著降低涂层致密性与界面结合强度;同时，铝与钛的热膨胀系数差异显著(Al约为23×10-6/℃，Ti约为8.6×10-6/℃)，在热处理或实际服役过程中易在界面处产生热应力集中，诱发微裂纹甚至分层失效。此外，该结构未对钛层进行成分调控或功能优化，无法有效平衡成本与性能。另一相关技术如公开号CN118099101A所述，虽涉及钛铝复合贴合层，但其采用物理溅射工艺，应用于电子封装载板，涂层厚度仅为微米级，且目标在于改善钎焊性能，而非构建适用于泛半导体腔体所需的几十至数百微米厚、高结合力、高粗糙度的功能性熔射层，因此在工艺路线、结构功能及应用场景上均与本发明存在本质差异。综上，现有技术在熔射气氛控制、界面相容性设计、氧化抑制机制以及面向复杂腔体结构的工程适用性等方面仍存在显著不足，亟需一种新型的钛铝复合熔射层制备方法，以实现低成本、高结合强度与高服役可靠性的协同优化。
发明内容
[0004]本发明针对现有泛半导体设备腔体零部件表面熔射涂层在结合强度、服役可靠性与制造成本之间难以协同优化的技术缺陷，提供一种钛铝复合熔射层的结构设计及其分段式制备方法。所述方法通过限定“钛打底层—铝覆盖层”的层序结构、控制各层厚度与粗糙度参数、采用局部惰性气氛保护下的电弧熔射工艺沉积钛层，并在大气环境下完成铝层沉积，从而在避免钛氧化的前提下显著提升界面结合强度，同时大幅降低材料与工艺成本，满足泛半导体设备对高洁净度、高稳定性及可量产性的综合需求。
[0005]本发明提供了一种用于泛半导体设备腔体零部件的钛铝复合熔射层制备方法，包括对基材进行预处理、依次沉积钛熔射打底层与铝熔射覆盖层，其中：所述钛熔射打底层直接形成于经喷砂粗化处理的基材表面，厚度为80–120 μm，表面粗糙度Rz为120 μm;所述铝熔射覆盖层形成于所述钛熔射打底层之上，厚度为200–300 μm，表面粗糙度Rz为150 μm;所述钛层与铝层之间构成无连续氧化物夹杂的冶金-机械复合结合界面，界面过渡区厚度为2–5 μm，包含由铝熔滴在高温下对钛层表面微孔隙的填充所形成的机械互锁结构，以及钛与铝元素在界面处发生的有限固溶扩散所形成的微扩散相。
[0006]进一步地，所述基材为不锈钢、铝合金或镍基合金中的一种，其表面经除油、干燥后采用粒径不大于50 μm的刚玉或碳化硅磨料进行喷砂处理，使表面获得均匀分布的锚纹结构，表面粗糙度Rz控制为120 μm，以确保后续熔射层与基材之间形成有效机械咬合。
[0007]进一步地，所述钛熔射打底层采用电弧熔射(ARC)技术沉积，熔射过程中在喷枪出口区域施加局部惰性气氛保护，所述惰性气氛由纯度不低于99.999%的氩气构成，氩气流量不小于20 L/min，使熔射区域氧含量控制在50 ppm以下;所述钛丝材纯度不低于99.5%，熔射所得钛层主相为α-Ti固溶体，氧含量不超过0.2 wt%，未检测到TiO2或Ti2O等脆性氧化物相;所述钛层沉积完成后，其表面保持原始熔射态形貌，未进行打磨、抛光或热处理。
[0008]进一步地，所述铝熔射覆盖层在钛层沉积完毕后立即切换至常规大气环境进行沉积，无需额外气氛控制或真空条件;所述铝层采用纯度不低于99.5%的铝丝或铝粉作为原料，通过火焰熔射或电弧熔射方式实施，熔射粒子撞击钛层表面时因钛层具有高表面能(>1000 mN/m)而实现良好润湿，接触角θ小于30°，并在冷却过程中因铝的热膨胀系数(23×10-6/℃)高于钛(8.6×10-6/℃)而在界面处形成残余压应力场，该压应力场抑制了热循环过程中因热膨胀失配导致的界面张应力，从而增强层间结合稳定性。
[0009]其中，所述钛层厚度限定为80–120 μm，系基于以下技术考量：若厚度低于80 μm，则无法有效隔绝基材与腐蚀性等离子体的直接接触，且难以提供足够的机械支撑强度;若超过120 μm，则钛材料用量显著增加，导致成本上升，同时因钛层自身脆性倾向可能引发内聚开裂;所述铝层厚度设定为200–300 μm，系为满足泛半导体腔体对表面粗糙度(Rz≥150μm)及膜层吸附容量的功能要求，同时利用铝的高塑性(延伸率>30%)缓冲热应力并覆盖钛层表面微观缺陷。
[0010]特别地，所述钛层与铝层之间的界面结合机制并非单纯依赖物理嵌合，而是通过以下三重作用协同实现：第一，钛层表面保留喷砂后形成的高粗糙度轮廓(Rz=120 μm)，与基材形成“一级锚固”;第二，铝熔滴在撞击钛层时填充其表面微孔与凹槽，冷却后形成“二级嵌套”机械互锁结构;第三，在熔射高温(约2000–3000 ℃)作用下，铝原子沿钛晶界发生短程扩散，形成厚度为2–5 μm的Al-Ti微扩散过渡区，该区域不含连续氧化物夹层，X射线衍射(XRD)分析显示主要物相为α-Ti与少量Al3Ti金属间化合物弥散分布，未见TiO2特征峰。
[0011]进一步地，所述制备方法的具体工艺步骤如下：
[0012]S1：对腔体零部件基材进行脱脂清洗，去除表面油污及有机污染物，随后在压缩空气压力0.5–0.7 MPa条件下，采用粒径≤50 μm的刚玉磨料对表面进行喷砂处理，喷砂角度为75°–85°，处理后表面粗糙度Rz达到120 μm，随即在60–80 ℃下烘干30分钟，确保表面无水分残留;
[0013]S2：将预处理后的基材固定于熔射工装上，启动电弧熔射设备，采用直径2.0 mm的纯钛丝(Ti≥99.5%)作为送丝材料，在喷枪出口周围设置环形氩气保护罩，通入流量≥20L/min的高纯氩气，使熔射区域氧含量<50 ppm;调节电弧电流为200–300 A，电压为30–40V，喷枪移动速度为0.8–1.2 m/min，喷涂距离为150–200 mm，沉积形成厚度为80–120 μm的钛熔射打底层，沉积过程中实时监测层厚，确保厚度均匀性偏差不超过±10 μm;
[0014]S3：在钛层沉积完成后5分钟内，不更换工装、不中断产线流程，切换至铝熔射模式，采用纯度≥99.5%的铝丝或球形铝粉，在大气环境下以火焰或电弧熔射方式沉积铝覆盖层;火焰熔射时燃气为丙烷/氧气混合气，气体比例按体积比1:1.2–1.5调控，电弧熔射时电流为180–250 A，电压为28–35 V，喷枪移动速度为1.0–1.5 m/min，喷涂距离为180–220 mm，沉积厚度控制为200–300 μm，表面粗糙度Rz达到150 μm;
[0015]S4：铝层沉积完成后，将工件置于静止空气中自然冷却至室温，冷却速率控制在≤5 ℃/min，避免快速冷却引入热冲击应力;整个过程无需后续热处理、封孔或表面改性工序。
[0016]其中，所述局部惰性气氛保护仅作用于钛层熔射阶段，保护区域覆盖喷枪出口至基材表面约200 mm范围，该设计使得设备无需整体置于真空或手套箱环境中，仅需在喷枪前端集成小型气体屏蔽装置即可实现有效防氧化，大幅降低设备改造成本与能耗;而铝层在大气中熔射的可行性源于其自身在高温下形成的致密Al2O3膜具有自保护性，且铝熔点低(660 ℃)、流动性好，易于在钛层表面铺展成形。
[0017]进一步地，所述钛铝复合熔射层的整体厚度为280–420 μm，满足泛半导体设备腔体对功能性涂层厚度(通常≥250 μm)的要求;其平均结合强度经ASTM C633标准测试，结果为30–32 N/mm²，显著高于纯铝熔射层的24–25 N/mm²，且接近纯钛熔射层的理论结合强度下限(约35 N/mm²);经600 ℃→室温热循环500次后，涂层表面无可见裂纹、鼓泡或分层现象，盐雾试验(ASTM B117)持续1000小时后无基材腐蚀迹象，表明其具备优异的热稳定性与耐蚀性。
[0018]特别地，本发明所限定的“钛打底层+铝覆盖层”结构顺序具有不可逆的技术逻辑：若采用铝打底、钛覆面(如CN119800271A所述)，则钛在大气熔射过程中不可避免地生成TiO2氧化物，该氧化物位于铝/钛界面处，成为弱结合相，严重削弱层间结合力;同时，铝层热膨胀系数远高于钛，在热循环中铝层收缩更大，对上方钛层产生拉应力，易诱发界面剥离;而本发明将高强、低膨胀的钛置于底层，直接与基材结合，承担主要力学载荷，铝层作为高塑性、高粗糙度的表层，既提供功能表面，又通过其延展性吸收热应力，二者在热-力耦合作用下形成互补而非对抗关系。
[0019]综上，本发明通过结构层序重构、厚度配比优化、界面结合机制创新及气氛控制策略改进，解决了现有技术中钛熔射成本高、铝熔射结合弱、复合涂层界面不稳定的核心问题。所述技术方案各参数之间存在明确的协同关系：钛层厚度≤120 μm与铝层厚度≥200 μm的组合，使钛材料用量减少至纯钛涂层的1/3–1/2;钛层Rz=120 μm与基材匹配实现一级锚固，铝层Rz=150 μm形成二级嵌套;局部氩气保护抑制钛氧化，大气环境沉积铝层保障工艺兼容性;界面微扩散与机械互锁共同构建高强度结合体系。上述特征共同构成一个完整、可实施、可重复的技术方案，本领域技术人员依据本发明描述，结合常规熔射设备与工艺知识，即可在不付出创造性劳动的前提下成功制备出符合性能要求的钛铝复合熔射层。
[0020]本发明的有益效果在于：通过限定钛为打底层、铝为覆盖层的梯度结构，并配合局部惰性气氛保护下的电弧熔射工艺与大气环境下的铝层沉积，使得复合熔射层在保持高结合强度(30–32 N/mm²)的同时，将加工成本较纯钛熔射降低40%–50%;所述结构有效规避了钛在大气中熔射时的氧化问题，避免了铝/钛界面因热膨胀失配导致的应力集中，经实测在600 ℃热循环500次及1000小时盐雾试验后仍保持结构完整性;此外，该方法无需真空设备或复杂后处理，可直接集成于现有泛半导体设备腔体制造产线，具备突出的工程适用性与产业化前景。
附图说明
[0021]图1为本发明钛铝复合熔射层与对比例单层铝熔射层的截面结构对比示意图;
[0022]附图标记如下:
[0023]1、AL熔射层(本发明覆盖层); 2、部件基材; 3、AL熔射层(对比例单层结构); 4、Ti熔射打底层; 5、部件基材(对比例基体)。
具体实施方式
[0024]以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。如图1所示，本发明提供的钛铝复合熔射层结构包括：作为覆盖层的铝熔射层(标号1)、作为打底层的钛熔射层(标号4)以及作为基体的部件基材(标号2)。与之对比的对比例单层结构则仅包含铝熔射层(标号3)直接沉积于另一部件基材(标号5)之上。本发明通过将钛熔射层4设置于基材2与铝熔射层1之间，形成“钛打底—铝覆面”的梯度复合结构，从而在保证高结合强度的同时显著降低制造成本。
[0025]本发明的具体实施过程如下：首先对泛半导体设备腔体零部件所用基材进行表面预处理。所述基材可为304或316L不锈钢、6061铝合金或Inconel 718镍基合金中的一种。以一块尺寸为200 mm × 200 mm × 10 mm的316L不锈钢板为例，先将其置于碱性脱脂液中，在60 ℃下超声清洗15分钟，去除表面油污及有机污染物;随后用去离子水冲洗干净，并在80 ℃烘箱中烘干30分钟。接着，在压缩空气压力为0.6 MPa的条件下，采用粒径为40 μm的白刚玉磨料，以喷砂角度80°对基材表面进行喷砂处理，喷砂距离控制在150 mm，处理时间约3分钟，直至表面获得均匀分布的锚纹结构。经表面轮廓仪测量，处理后基材表面粗糙度Rz达到120 μm，满足后续熔射层机械咬合所需的形貌要求。
[0026]完成预处理后，将基材固定于电弧熔射设备的旋转工装上，确保喷涂过程中表面受热均匀。启动电弧熔射系统，选用直径为2.0 mm、纯度为99.8%的工业纯钛丝作为送丝材料。在喷枪出口前端安装环形氩气保护罩，该保护罩内径略大于喷枪喷嘴，外接高纯氩气源(纯度≥99.999%)，调节氩气流量至25 L/min，使从喷嘴喷出的熔融钛粒子在飞行路径及撞击基材表面的区域内氧含量稳定控制在40 ppm以下。设定电弧电流为250 A，电压为35 V，喷枪移动速度为1.0 m/min，喷涂距离为180 mm。在此参数下，钛丝被电弧高温(约3500 ℃)熔化并高速喷射至基材表面，形成厚度为100 μm的钛熔射打底层(标号4)。沉积过程中，采用激光测厚仪实时监测涂层厚度，确保整体厚度偏差不超过±8 μm。沉积完成后，钛层表面保持原始熔射态形貌，未进行任何打磨、抛光或热处理，其表面粗糙度Rz仍维持在120 μm左右，与基材表面锚纹结构相匹配，形成有效的“一级锚固”机制。
[0027]在钛熔射层沉积完成后的3分钟内，无需更换工装或转移工件，直接切换至铝熔射模式。此时关闭氩气保护系统，使后续工艺在常规大气环境中进行。选用纯度为99.7%的球形铝粉(粒径范围为30–60 μm)作为原料，采用火焰熔射方式进行铝层沉积。燃气采用丙烷与氧气混合气体，体积比设定为1:1.35，燃气压力分别为0.4 MPa(丙烷)和0.6 MPa(氧气)。调节喷枪移动速度为1.2 m/min，喷涂距离为200 mm，在钛层表面连续沉积铝熔射覆盖层(标号1)，目标厚度为250 μm。由于钛层表面具有高表面能(实测值约为1050 mN/m)，铝熔滴在撞击时接触角小于25°，能够充分铺展并填充钛层表面的微孔与凹槽，冷却后形成牢固的“二级嵌套”机械互锁结构。同时，在熔射高温作用下(铝熔滴温度约2200 ℃)，部分铝原子沿钛晶界发生短程扩散，形成厚度约为3.5 μm的Al-Ti微扩散过渡区。经X射线衍射(XRD)分析，该过渡区主要物相为α-Ti基体及弥散分布的Al3Ti金属间化合物，未检测到TiO2或Al2O3等连续氧化物相，表明界面结合为无氧化夹杂的冶金-机械复合结合。
[0028]铝层沉积完成后，将工件置于静止空气中自然冷却，环境温度为25 ℃，冷却速率约为3 ℃/min，避免因快速冷却引入热冲击应力。整个制备过程无需后续封孔、热处理或表面改性工序，可直接进入下一装配环节。最终形成的钛铝复合熔射层总厚度为350 μm，其中钛层厚度100 μm(标号4)，铝层厚度250 μm(标号1)，均落在本发明限定的80–120 μm与200–300 μm范围内。经ASTM C633标准测试，该复合涂层与基材之间的平均结合强度为31.0 N/mm²，显著高于对比例纯铝熔射层(标号3)的24.8 N/mm²，且接近纯钛熔射层的理论下限(约35 N/mm²)。此外，在600 ℃与室温之间进行500次热循环后，涂层表面无裂纹、鼓泡或分层现象;依据ASTM B117标准进行1000小时盐雾试验后，基材未出现腐蚀迹象，证明其具备优异的热稳定性与耐蚀性。
[0029]本发明之所以将钛层置于底层、铝层置于表层，具有明确的技术逻辑。若反向采用铝打底、钛覆面(如CN119800271A所述)，钛在大气环境下熔射时会迅速氧化生成TiO2脆性相，该氧化物位于铝/钛界面处，成为弱结合区域，严重削弱层间结合力。同时，铝的热膨胀系数(23×10-6/℃)远高于钛(8.6×10-6/℃)，在热循环过程中铝层收缩更大，对上方钛层施加拉应力，易引发界面剥离。而本发明将高强度、低热膨胀系数的钛层直接与基材结合，承担主要力学载荷;高塑性(延伸率>30%)、高粗糙度(Rz=150 μm)的铝层作为功能表层，不仅提供良好的膜层吸附能力，还能通过自身延展性吸收热应力，二者在热-力耦合作用下形成互补关系，而非对抗关系。
[0030]此外，本发明采用局部惰性气氛保护策略，仅在钛熔射阶段于喷枪出口200 mm范围内通入高纯氩气，无需将整个工件置于真空室或手套箱中，大幅降低了设备改造成本与能耗。而铝层可在大气中直接熔射，因其自身在高温下形成的Al2O3膜具有自保护性，且铝熔点低、流动性好，易于在钛层表面成形。这种“局部保护+大气兼容”的工艺设计，使得本方法可无缝集成于现有泛半导体设备腔体制造产线，具备突出的工程适用性与产业化前景。
[0031]综上所述，本发明通过限定“钛打底层(标号4)—铝覆盖层(标号1)”的层序结构、精确控制各层厚度与粗糙度、采用局部氩气保护下的电弧熔射沉积钛层、并在大气环境中完成铝层沉积，成功构建了兼具高结合强度、优异服役稳定性与低成本优势的钛铝复合熔射层。该结构在图1中清晰示出，与对比例单层铝结构(标号3与5)形成鲜明对比，充分体现了本发明在界面结合机制、热应力调控及工艺经济性方面的综合创新。
说明书附图(1)
声明：
“用于泛半导体设备腔体的钛铝复合熔射层制备方法” 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：安徽富乐德科技发展股份有限公司
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