爆炸焊接法制備的5NAl和TU1-Cu靶材組織及性能

供稿|臧偉，袁雪婷，郭龍創(chuàng)，張杭永 / ZANG Wei, YUAN Xue-ting, GUO Long-chuang,ZHANG Hang-yong

作者單位：1. 寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014；2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；3. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008

內(nèi)容導(dǎo)讀濺射靶材是半導(dǎo)體芯片的配線材料。采用5NAl和TU1-Cu分別作為濺射靶材的復(fù)層和基層材料，通過爆炸復(fù)合法實現(xiàn)焊接結(jié)合，通過滲透和探傷檢測有無爆炸缺陷，金相分析爆炸前后的組織變化，硬度分析爆炸前后的硬度變化，粘結(jié)強度分析結(jié)合質(zhì)量。結(jié)果表明，爆炸焊接后除起爆點外，結(jié)合質(zhì)量良好。5NAl板材作為復(fù)層，爆炸焊接后邊緣部位減薄嚴(yán)重；爆炸焊接后5NAl板材與TU1-Cu板材之間存在明顯的爆炸波紋，爆炸焊接前后組織無明顯變化；爆炸焊接后5NAl板材與TU1-Cu板材離界面較近的母材硬度較大，隨著距離的增大，硬度趨于原始態(tài)的硬度；爆炸焊接后結(jié)合強度大于70 MPa。爆炸焊接法制備的濺射靶材可以滿足后續(xù)加工及使用要求。

濺射靶材是半導(dǎo)體芯片加工中的配線材料，由于集成電路設(shè)計復(fù)雜，金屬配線對導(dǎo)電性能要求很高[1-2]，因此對真空環(huán)境下的濺射金屬的純度要求非常嚴(yán)苛，要求純度達到99.999%[3-4]，本研究選用5NAl作為濺射材料。

靶材的基座背板主要起到固定和托底的作用，同時在濺射過程中起到迅速冷卻的作用[5-6]，因此需要選用一種具有一定強度的金屬起固定作用，并在長時間的高壓下不易變形，易散熱的材料作為背板金屬[7-8]，同時需要和鋁具備較好的焊接性，本研究選用TU1-Cu作為背板材料。

傳統(tǒng)的鋁及鋁合金焊接常采用攪拌摩擦焊、激光焊、電子束焊等，鋁的氧化膜很難去除并且在空氣中容易吸收水分，造成焊接過程的氣孔形成。同時，在焊接過程中，水中的氫很難逸出，焊縫里容易形成裂紋等缺陷，造成焊縫處強度低、容易斷裂等問題[9-11]。本研究采用爆炸復(fù)合的方式將5NAl和TU1-Cu進行焊接，這種焊接方式不存在上述問題且結(jié)合強度高。

實驗材料和方法

實驗材料

實驗用復(fù)層材料為5NAl，規(guī)格為17 mm×700 mm×1250 mm，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.999%?；鶎硬牧蠟門U1-Cu，規(guī)格為17.5 mm×700 mm×1250 mm，其化學(xué)成分見表1。

表1 TU1-Cu的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實驗方法

采用120#千葉輪對基復(fù)板材料的爆炸結(jié)合面進行拋光處理，同時用無水乙醇擦拭表面，保證結(jié)合面無油污、浮灰等雜質(zhì)，后采用爆炸復(fù)合的方法進行焊接。采用的爆炸工藝為炸藥爆速1900～2000 m/s，間隙高度為16 mm，炸藥高度為70 mm，在板材的長邊邊緣中心處起爆。

爆炸后，對焊接板材進行超聲探傷和對界面進行滲透檢驗，檢查有無內(nèi)部和表面缺陷。使用超聲C掃描成像檢測系統(tǒng)(C-SCAN)來檢測板材的貼合質(zhì)量，采用新美達公司生產(chǎn)的DPT-5型滲透劑和顯像劑檢測板材界面的表面缺陷。

在板材不同位置點上取試樣，采用Axiovert 200MAT蔡司金相顯微鏡觀察各試樣點界面的微觀組織，分別在不腐蝕和腐蝕的情況下觀察金相組織，選用的腐蝕劑為5%HF+10%HNO3+85%H2O溶液。采用Wilson-Wolpert Tukon 2100B維氏硬度計測量復(fù)層、界面、基層的顯微硬度，實驗在常溫下進行，加載力為9.8 N，加載時間10 s。檢測不同試樣的粘結(jié)強度，實驗方法參照GB/T 6396—2018中第九節(jié)的粘結(jié)實驗方法。

結(jié)果與討論

宏觀形貌

爆炸焊接后試板的宏觀形貌如圖1所示。在圖1板材上已標(biāo)出使用區(qū)域及3#～6#試樣的取樣位置。C-SCAN探傷結(jié)果如圖2所示，在圖中已標(biāo)示出3#～6#試樣的位置，其中藍色代表焊接良好，紅色代表未焊合。其中6#樣位置處的C-SCAN結(jié)果有紅色顯示，這是由于6#位置為起爆點位置，爆炸焊接的起爆點為不貼合區(qū)[12]，不影響有效區(qū)域的使用。

圖1 爆炸焊接后試板宏觀形貌圖

圖2 爆炸焊接后試板的C-SCAN探傷結(jié)果

爆炸焊接后坯料邊緣照片如圖3所示，5NAl/Cu復(fù)材爆炸焊接后復(fù)層有不同程度的塑性變形，造成復(fù)層厚度方向上有明顯的減薄現(xiàn)象，Cu基層厚度方向變形不大。復(fù)層邊緣處減薄明顯，在實驗室環(huán)境下測得交付成品的復(fù)材厚度為13.75 mm，基層厚度仍為17.60 mm。

圖3 爆炸后坯料邊緣照片

金相組織

爆炸焊接前5NAl的金相組織如圖4所示，均為單一組織上彌散分布著強化相，晶粒大小分別是187和203 μm。

圖4 爆炸前5NAl的金相組織

爆炸焊接后拋光未腐蝕的5NAl表面和焊縫的金相組織如圖5所示，3#～6#試樣鋁靶和銅背板之間存在機械嚙合，類似齒狀連接，但是齒為無規(guī)律分布，齒的形狀不規(guī)則。這是爆炸焊接的典型波狀結(jié)合[13]。6#試樣在波峰波谷處存在明顯的孔洞組織，孔洞是一種缺陷組織，對貼合質(zhì)量及力學(xué)性能有較大的影響，在宏觀顯示上為不貼合，這與前面的探傷結(jié)果一致。

圖5 爆炸后拋光未腐蝕的5NAl表面和焊縫的金相組織

爆炸焊接后經(jīng)過腐蝕處理的5NAl表面和焊縫的金相組織如圖6所示，鋁靶焊縫附近組織與其他位置一致，均為單一組織上彌散分布這強化相，組織與焊接前相比，無變化。

圖6 爆炸后經(jīng)過腐蝕處理的5NAl表面和焊縫的金相組織

3#試樣觀察到的晶粒大小174 μm，4#試樣觀察到的晶粒大小222 μm，5#試樣觀察到的晶粒大小187 μm，6#試樣觀察到的晶粒大小174 μm，與焊接前晶粒大小相比，無明顯變化。說明爆炸焊接未影響材料的組織。

顯微硬度

爆炸狀態(tài)下不同試樣在鋁側(cè)、銅側(cè)及界面處的硬度變化如圖7所示。爆炸焊接后離界面較近的母材硬度較大，隨著距離的增大，硬度趨于原材料的硬度。這是爆炸焊接引起的加工硬化導(dǎo)致焊縫處硬度較大[14]，可通過消應(yīng)力退火減少這一問題。本靶材不經(jīng)過沖壓變形僅僅通過表面機械加工，另外后期設(shè)備上的載荷較小，可不采用消應(yīng)力退火工藝。

圖7 爆炸態(tài)下不同試樣在鋁側(cè)、銅側(cè)及界面處的硬度變化圖

粘結(jié)強度

不同試樣爆炸狀態(tài)下的斷后粘結(jié)試樣如圖8所示，經(jīng)檢測粘結(jié)強度值分別為75、86、71 MPa?？梢园l(fā)現(xiàn)斷裂處均在鋁側(cè)母材處，未出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，表明爆炸結(jié)合良好，斷裂為脆性斷裂[15]。

圖8 爆炸態(tài)下的斷后粘結(jié)試樣照片

機械加工

靶材機械加工后如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)在加工后無分層、裂紋等缺陷，可以滿足后續(xù)使用要求。

圖9 機械加工后的靶材外觀圖

結(jié)束語

(1)爆炸焊接后除起爆點外，結(jié)合質(zhì)量良好。5NAl板材作為復(fù)層，爆炸焊接后邊緣部位減薄嚴(yán)重。

(2)爆炸焊接后5NAl板材與TU1-Cu板材之間存在明顯的爆炸波紋，爆炸焊接前后組織無明顯變化。

(3)爆炸焊接后5NAl板材與TU1-Cu板材離界面較近的母材硬度較大，隨著距離的增大，硬度趨于原始態(tài)的硬度。

(4)爆炸焊接后結(jié)合強度大于70 MPa，可以滿足后續(xù)加工及使用要求。