第30卷第6期2020年12月
粉來冶全工业
POW DER M ETALLURG Y INDUSTRY
Vol. 30, N o.6, p45-49
Dec. 2020
DOI ： 10.13228/j.boyuan.issn 1006-6543.20190209
牛炫阳，张鹏飞，王广欣
(河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471023)
摘要：以高纯钛粉和钼粉为原料，在1600 °C温度和40 M Pa的压力以及氩气保护下热压3 h，制备了 5种不 同成分的钼钛合金。研究了钛含量对钼钛合金力学性能和显微组织的影响。结果表明，M o原子和T i原子能够形成置换固溶体，且M o-T i合金在常温下具有脆性特征。随着钛原子分数从10%增加到50%， 晶粒尺寸从
7 p m增加到15 p m，致密度从95.8%提升至99.5%，洛氏硬度从22.3H R C增加到45.5H R C，抗弯强度从396 MPa
增加到680 MPa。M o-50%T i(原子分数）的各方面性能最佳，这对后续钼钛合金靶材的制备及溅射性能研究具有一定意义。
关键词：粉末冶金；热压；钼钛合金
文献标志码：A文章编号：1006-6543(2020)06-0045-05
Effects of Ti content on microstructure and mechanical properties of Mo-Ti alloys
NlUXuanyang, ZHANG Pengfei, WANG Guangxin
(School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023 ,
China)
Abstract：Five kinds of Mo-Ti alloys with different composition were prepared with high purity titanium powder and molybdenum powder by hot pressing at 1600 °C and 40 MPa for 3 h under the protection of Argon. Effects of titanium content on mechanical property and microstructure of the prepared Mo-Ti alloys were studied. Results obtained show that Mo and Ti atoms can form displacement solid solution, and Mo-Ti alloy is brittle at room temperature. With titanium content increasing from 10 atm.% to 50 atm.% , grain size increases from about 7 \xm to
15 (im, relative density increases from 95.8% to 99.5%,rockwell hardness increases from 22.3 HRC to 45.5 HRC.
and bending strength increases from 396 MPa to 680 MPa. Mo-50% Ti has the best performance in all aspects, which has a certain significance for the preparation of Mo-Ti alloy target and the study of sputtering performance.
Keywords：powder metallurgy ；hot pressing；molybdenum-titanium alloy
磁控溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，其 中，被粒子轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材 料，称为溅射靶材0。钼合金靶材是市面上常见的 靶材之一，它具有熔点高、导电率高、比阻抗低、耐 腐蚀性好、环保性好等特点，从而广泛应用于大规 模集成电路，TFT-LCD (Thin Film Transitor-Liq
uid Crystal Displays，薄膜半导体管-液晶显示器）、等离基金项目：国家科技重大专项(02专项）（20丨7ZX02408003)
排卵检测仪作者简介：牛炫阳（1993—）男，硕士，主要研究方向为粉末冶金。
通讯作者：王广欣（1958—)男，博士，教授，主要研究方向为电子材料。收稿日期:2019-10-21子显示屏等。目前TFT-LCD中的导电膜材料主要 是铝，阻挡层材料主要用钼作为溅射靶材形成钼薄 膜13'4]。溅射靶材对材料的纯度、内部组织结构、力 学强度、致密度等要求较高，同时，靶材的成分也会 对性能产生重要的影响15_'
然而，随着TFT-LCD面板尺寸的大型化，需要 电阻率更小的导电膜材料，因而铜代替铝的趋势正
• 46 •粉末冶金工业第30卷
在形成。但是，用于铜导电膜的底层或覆盖层时，纯钼由于再结晶温度低、室温强度低、脆性大等缺 点，存在各种各样的问题|8]，因此，需要添加合金元 素来改善纯钼的性能。合金元素的固溶强化是提 高钼性能最典型的方法钛是最有效和最常用的合金添加元素之一111'它是钼基VIB(第四副 族），bcc结构的金属元素，可以与钼形成连续固溶 体113]。当钼钛形成固溶体之后，不仅能提高钼合金 的高温性能，而且能提高钼的再结晶温度，降低钼 的脆性。而且，金属钛良好的耐腐蚀性也使得钼钛 合金具
有比纯钥更加良好的耐腐蚀性能n4•'另外，钛和铜具有优异的附着性，钥有利于致密阻挡 层的稳定性，因此，钼钛合金薄膜作为铜导电膜的 底层或覆盖层，可以避免隆起，控制反射率，使其在 光刻过程中免受化学侵蚀。
目前，市场上常见的纯钥靶材普遍采用的生产 工艺包括冷等静压-氢气烧结-热轧-机加工等步骤。但由于钛吸氢后变脆，造成钼钛合金轧制时极易开裂，该工艺不能用于钼钛合金靶材的生产||6〜。另外，钛原子分数对钼钛合金靶材性能的影响尚不明 了。为了探索新的生产工艺，确定合适的钛原子分 数，本文采用热压烧结法制备了不同钛原子分数的 钼钛合金靶材，研究了钛原子分数对合金组织和力 学性能的影响，以探寻最佳的钥钛比例。 1实验
1.1样品制备
本实验原料为纯度为99.95%(质量分数)的高纯 钼粉(粒径为6.8 fim，如图1(a)所示)和纯度为99.5% (质量分数）的高纯钛粉(粒径为3.7 nm，如图1(b)所 示)。按表1所示5种比例称取粉末配料混合，然后在 GMS3-8型球磨机上进行球磨。球磨采用直径3、8和 15 mm的3种氧化错球体，3种球体的质量比为1:1: 1，球料质量比为4：丨，球磨转速为150 r/min，以乙 醇为介质。球磨20 h后进行真空干燥，最终制备出 不同原子比(组成见表1)的Mo-xTi粉末。
(a)高纯钼粉；（b)高纯钛粉。
图1实验原料
表1Mo-xTi合金的原子比 ％Mo-10%Ti Mo-20%Ti Mo-30%Ti Mo-40%Ti Mo-50%Ti Mo9080706050
化石工艺品Ti1020304050
图2为真空热压模具结构。将制备的粉末置于 如图2llsl所示的表面涂有BN1#%的圆柱形石墨模具 中(模具的内径为50 mm)，然后将模具置入真空热压 烧结炉(ZT-120-22Y)中进行热压烧结。烧结参数如 图3所示：起始温度为室温，终止温度为1 600 °C，升 温速率为丨0°C/min，初始压力为5.75 MPa(仪器设定的最低压力），抽真空并加入氩气为保护气后开始升 温。当温度升至1250 °C时开始加压,20 min内加压 至40 MPa并保压3.5 h。温度升至1600 °C开始保 温,3 h之后开始随炉冷却。
压还的最终尺寸为直径50 mm，厚度7 mm，将 其线切割成条状样品用于后续实验。从钼钛合金的 二元相图(如图4所示)可知，在1 600 °C热压温度下，所选的5种钼钛合金均处于(p-Ti,Mo)固溶区内。1.2测试方法
采用布鲁克X射线衍射仪(D8 ADVANCE，德国）进行物相成分检测，衍射参数为电压40 kN
，电流
第6期牛炫阳等：钛含量对钼钛合金组织及力学性能的影响• 47 •
时间/min
图3热压烧结工艺参数
原子分数/%
10
20
30 40 50 60 70 8090100
图4银钦二元相图
釆用阿基米德排水法测定样品密度，密度仪型
号为 Mettler Toledo New Balance New Classic MS 〇
在万能拉伸试验机(AG-I 250KN )上采用三点 弯曲法测试试样的室温弯曲强度。采用扫描电镜 (SEM ,JSM -5610LV )观察试样断口。用罗克韦尔硬 度测试装置(D -150)测试试样的硬度。
20 mA ,Cuka 辐射。在2<9为30°〜90。的范围内，米用台 阶计数法(步骤0.01°，每步时间0.1 s )收集强度数据。
图2真空热压模具结构
2 结果与讨论
2.1 M o -T i 合金的物相分析
图5为5个样品及原料（M o 和Ti )的X R D 图。 由图可知，烧结后产物的物相主要为M o 相，未观察 到Ti 相的存在，表明T i 和Mo 形成了固溶体。由于
p -Ti 与M o 的晶体结构相似，同为体心立方结构，且 Ti 原子半径为147 pm ，M o 原子半径为136 pm ，非常 接近，所以它们在一定温度下可形成连续的置换固 溶体。随着Ti 原子分数的增加，衍射角度(20)的值 逐渐减小，表明晶格常数逐渐增大。由Mo -Ti 相图
可知，温度高于1 200 °C 时,Ti 发生p 相变，并且p-Ti 与Mo 可以在1 200 °C 以上形成无限固溶体。在实 验中，在Ti 发生(3相变时加压，可以促使p -T i 与Mo 的晶体接触得更加充分，从而促进两种物相形成
Mo -pTi 无限固溶体。
40
50
60
70
2(?/(°)
图5不同T i 含量合金的XRD 图
2.2 M o -T i 合金的断口分析
图6为不同样品在室温3点弯曲实验后形成的 断口扫描电镜照片。由图可知，无论Ti 原子分数为 多少，材料在室温下经3点弯曲试验后均出现脆性 断裂。由断口可知，晶粒尺寸随Ti 原子分数的增加
而增大，孔隙数减少。这是因为烧结温度接近T i 的 熔点，这使得T i 软化更多，流动更好，促进晶粒生 长，更容易填充孔隙。而且，由于M o 的熔点高，在 1 600 °C 烧结时，若M o 的原子分数很高，则会出现 烧结不充分的现象，如照片中许多细碎的晶粒所 示。随着Ti 原子分数的增加，晶粒尺寸从7 nm 左右 增大到15 pm 。样品Mo -50%Ti 为解理断裂，其余的 样品为沿晶断裂。
a /s
萌
• 48 •粉末冶金工业第30卷
95
20
40
原子分数/%
n o
-〇()
0.()00.650.70
0.75 _
位移/mm
0.8〇 0.90光触媒仿真花
她卿/
(a ) M o-10%Ti ： (b ) M o-20%Ti ： (c ) Mo-30%Ti ： (d ) Mo-40%Ti ； (e ) Mo-50%Ti =
图6 不同钛原子分数的断口形貌照片
2.3 T i 原子分数对M o -T i 合金致密度的影响
图7为T i 原子分数对Mo -T i 合金致密度的影 响。由图可知，随着T i 的原子分数从10%增大到 50%,
Mo -T i 合金的致密度从95.8%提升至99.5%。 产生此现象的原因是由于Ti 的熔点远低于M o 的熔 点，而烧结温度1 60CTC 与Ti 的熔点很接近，在此温 度以及40 MPa 的压力下，金属T i 会被软化并且与
Mo 进行结合，形成固溶体。Ti 的原子分数越高，被 软化的金属比例也就越高，此时，被软化的金属流 动性更好从而更容易填充样品的空隙。由图6也可 观察到，Ti 原子分数越大，Mo -Ti 合金之间的孔隙数 量越少，致密度越高。
2.4 T i 原子分数对M o -T i 合金力学性能的影响
图8为3点弯曲试验得到的材料的载荷位移曲 线，表明该材料在室温下呈脆性，这是粉末冶金烧结
制品的普遍特点。图9为硬度、抗弯强度与Ti 原子分 数的关系。由图可知，随着Ti 原子分数从10%增加 到50% ，试样的洛氏硬度从22.4HRC 增加至I J 45.5HRC ，抗弯强度从396 MPa 增加到680 MPa 。产 生以上现象的原因，是由于Ti 的熔点相对较低，在相 同烧结条件下，T i 原子分数越高，金属越容易被软 化，粉末的流动性越好，越容易获得更高的致密度。 由图5可知，当Ti 原子分数较低时，样品中存在许多 孔隙，致密度较差，使脆性材料在外力作用下更容易 开裂，导致力学性能较差。此外，Ti 原子分数的增加 也会导致固溶强化现象更加明显。
■
：«H )
250
(M 5(()(r >(
丨
2
1
1
98
97H i
%/铋
铂頷
图7 T i 含量对样品致密度的影响图8
样品的载荷-位移曲线
第6期
书炫阳等：钛含量对钼钛合金组织及力学性能的影响• 49 •
350
•‘300
20 40
Ti 原子分数/%
60
24
20
图9 T i 原子分数对样品的致密度及力学性能的影响
3 结论
(1)
在1 600 °C 的烧结条件下，随着Ti 原子分
数的增加，晶粒尺寸增大，钼钛合金致密度增加，晶 格常数变大，硬度和抗弯强度逐渐提高。
(2) Mo -50%Ti 的断裂类型为解理断裂，Ti 原子 分数较低的合金均为晶间断裂。
(3)
与其他试样相比，Mo -50%Ti 的各方面性能
最佳，对后续钼钛合金靶材的制备及溅射性能研究 具有一定的参考意义。
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