氣相沉積技術(shù)在難熔金屬材料中的應(yīng)用

何麗鑫張平

（1.沈陽招標(biāo)中心，遼寧沈陽 110002；2.沈陽建設(shè)項(xiàng)目招投標(biāo)中心，遼寧沈陽 110014）

氣相沉積技術(shù)在難熔金屬材料中的應(yīng)用

何麗鑫1張平2

（1.沈陽招標(biāo)中心，遼寧沈陽 110002；2.沈陽建設(shè)項(xiàng)目招投標(biāo)中心，遼寧沈陽 110014）

對難熔金屬的制備技術(shù)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展歷程，從粉末冶金到真空熔煉技術(shù)再到氣相沉積技術(shù)（簡稱CVD）的應(yīng)用，標(biāo)志著我國對難熔金屬的制備技術(shù)的不斷進(jìn)步和革新。難熔金屬普遍具有硬度高、熔點(diǎn)高等特點(diǎn)，相對于普遍金屬材料來說制備難度大，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求高。本文在對化學(xué)氣相沉積技術(shù)概述的基礎(chǔ)上，探討在難熔金屬材料制備加工領(lǐng)域中對氣相沉積技術(shù)的應(yīng)用。

氣相沉積技術(shù) CVD 難熔金屬 制備

難熔金屬普遍具有高硬度、高熔點(diǎn)的特性，同時在導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等方面都具有一定的優(yōu)勢，而且相對于普通金屬材料來說化學(xué)穩(wěn)定性良好。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空、核電、化工、機(jī)械制造以及冶金等多種行業(yè)發(fā)展迅速，對難熔金屬的制備要求也相應(yīng)的提高。對于難熔金屬的制備，經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展，無論是粉末冶金技術(shù)還是真空冶金技術(shù)都有力的推動了我國的難熔金屬制備技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。隨著氣相沉積技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，使我國難熔金屬的制備技術(shù)邁向了一個新臺階。

1　氣相沉積技術(shù)的概述

氣相沉積（英文簡稱CVD），是使氣態(tài)物質(zhì)在光、熱或者等離子體的激活作用和驅(qū)動下在固體界面上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，制得性狀穩(wěn)定的呈固態(tài)形式的沉積物的制備技術(shù)。沉積反應(yīng)可以發(fā)生在氣相界面上也可以發(fā)生在氣/固界面上，根據(jù)發(fā)生界面的不同可將其分成均相反應(yīng)和多相反應(yīng)兩大類。均相反應(yīng)的結(jié)果性狀是粉末，多相反應(yīng)的結(jié)果性狀為薄膜。CVD從本質(zhì)上來看是原子沉積的過程，具有提純的功能，由此得到的沉積層純度高而且，密度高。CVD是一種化學(xué)反應(yīng)的過程，因此基于化學(xué)反應(yīng)具有多樣化的特性制備技術(shù)也相對更加靈活，使得CVD制備技術(shù)成為對多種材料制備的化學(xué)工藝基礎(chǔ)。

難熔金屬的制備一直以來都是我國金屬材料制備領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，金屬材料制備技術(shù)不斷開發(fā)，難熔金屬制備技術(shù)也在不斷的研究和發(fā)展中。經(jīng)歷的幾十年的開發(fā)，從粉末冶金技術(shù)，到真空冶金技術(shù)，再到電弧、電子束熔煉技術(shù)的研究和應(yīng)用，使我國難溶金屬的制備技術(shù)不斷革新，快速發(fā)展。在難熔金屬材料中，以鎢、錸、鉬等金屬材料最為常見，以金屬鎢為例，鎢硬度高、熔點(diǎn)高，其所具有的獨(dú)特特性被廣泛用于航空、電子電器、機(jī)械制造等多個領(lǐng)域。但是鎢金屬材料在熔煉和加工方面難度很大，目前普遍采用的制備方法為粉末冶金的方法，但是使用此種方法存在諸多缺陷，如鎢制品組織致密性不良，性狀和尺寸局限性高，對于形狀復(fù)雜或者薄壁型制品無法滿足制備要求，因此對傳統(tǒng)制備技術(shù)加以改進(jìn)，開發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)成為難熔金屬制備的迫切要求。隨著氣相沉積技術(shù)的開發(fā)和在難熔金屬材料中的應(yīng)用，為難熔金屬的制備開辟了一條新的技術(shù)之路。

2　CVD在難熔金屬材料制備中的應(yīng)用

難熔金屬主要的特點(diǎn)就是熔點(diǎn)極高，高溫力學(xué)性能非常好。在常見的難熔金屬材料中，鎢、鉬、錸作為高溫結(jié)構(gòu)材料的典型熔點(diǎn)高而且具有良好的彈性模量，其中鎢的應(yīng)用最為普遍。傳統(tǒng)的制備技術(shù)，如粉末冶金、真空冶金、電弧熔煉等技術(shù)都具有一定的缺陷，相對于這些傳統(tǒng)制備技術(shù)來說，CVD技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。采用CVD技術(shù)制備的金屬材料產(chǎn)品具有較高的純度，晶粒細(xì)化，即使在高溫條件下也能夠?qū)ЯｉL大很好的控制；產(chǎn)品密度高，而且能夠很好的滿足后續(xù)的塑形加工的需要。

2.1在硬質(zhì)合金刀具技術(shù)中的應(yīng)用

加工制造業(yè)的飛速發(fā)展對硬質(zhì)合金刀具的硬度和強(qiáng)度的要求不斷提高。為了更好的提高硬質(zhì)合金刀具的使用壽命，使其性能更加優(yōu)化，一般會采用細(xì)化晶粒以及在刀具表面進(jìn)行保護(hù)層的涂覆。刀具的性能與其制備的原始粉末粒度和純度有直接的關(guān)系，CVD技術(shù)在硬質(zhì)合金的粉末制備方面應(yīng)用效果良好。以鎢粉的制備為例，采用CVD技術(shù)制備的鎢粉粉末不僅粒度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且純度高，制作工藝簡單，流程簡化，受到行業(yè)內(nèi)的一致好評。

2.2在微電子技術(shù)中的應(yīng)用

集成電路是微電子技術(shù)的核心，CVD技術(shù)在微電子技術(shù)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體薄膜的外延、絕緣膜和各種金屬膜的沉積上，特別是在三維集成電路上的應(yīng)用，CVD技術(shù)更顯現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢。集成電器中為了達(dá)到理想的抗電遷移的效果，同時又能夠改善鋁合金制備中的困難，以鎢材料代替鋁合金材料在集成電路上應(yīng)用受到行業(yè)內(nèi)的光伏認(rèn)可。CVD鎢在硅片上表現(xiàn)出的臺階覆蓋性能效果理想，能夠很好的滿足通孔和接觸孔對薄膜的要求。同時利用CVD技術(shù)在集成電器中的硅片上進(jìn)行純鉬或者純鎢的沉積，在利用退火擴(kuò)散工藝生成硅化物，可以將沒有生成硅化物的金屬殘余有效的腐蝕去除，從而保證了接觸層與硅基體之間的接觸的緊密型，形成優(yōu)質(zhì)的界面結(jié)構(gòu)。

2.3在空間技術(shù)中的應(yīng)用

鑒于高溫液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室噴灌工作環(huán)境的特殊性，對材料的性能提出極高的要求，因此噴管的制作材料的制備就顯得尤為重要。隨著研究的不斷深入，開發(fā)出一種CVD錸為基體，CVD銥作為涂層薄膜保護(hù)的發(fā)動機(jī)噴管，使CVD技術(shù)正式在空間技術(shù)中應(yīng)用。為了有效的提高火箭發(fā)動機(jī)的熱輻射性能，采用CVD錸作為發(fā)動機(jī)外部的涂層，從而使燃燒室的熱回放量得到有效的降低，提高了室內(nèi)的氣體溫度，促進(jìn)了發(fā)動機(jī)性能的充分發(fā)揮。除了難熔金屬材料錸、銥以外，難熔金屬鈮在火箭發(fā)動機(jī)噴嘴上也有所應(yīng)用，同時CVD還可用作噴管與發(fā)動機(jī)其它部件的過渡連接環(huán)以及鎢熱交換器的連接法蘭等。

3　結(jié)語

除了上述CVD技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具、微電子技術(shù)以及空間技術(shù)中的應(yīng)用之外，CVD技術(shù)還能夠?qū)﹄y熔金屬材料進(jìn)行各種塊體異型結(jié)構(gòu)件的制備。即使是在超高溫的、氧化的條件下，同樣可以利用CVD技術(shù)對難熔金屬熱電偶套管進(jìn)行制備。相對于單一的難熔金屬材料，難熔金屬合金不僅具有優(yōu)質(zhì)的高溫性能，而且在強(qiáng)度、硬度、熱性能等方面更強(qiáng)。目前我國對于CVD技術(shù)的應(yīng)用在單一難熔金屬材料方面更為廣泛，在難熔金屬合金的制備方面還有待深入的研究和開發(fā)，這也是目前我國在CVD技術(shù)研究方面的主要方向。

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