鈦鋁合金靶材正從“單一鍍膜耗材”向“高端裝備核心材料”躍遷

傳統(tǒng)鈦鋁靶材多用于PVD鍍膜，近年技術(shù)突破使其性能顯著提升。新型鈦鋁合金實現(xiàn)超寬溫域穩(wěn)定，在-269°C至127°C保持超彈性，適用于深空探測器與液氫裝備；通過納米氧化物彌散等技術(shù)，靶材衍生涂層耐溫超900°C，可替代鎳基合金用于航空發(fā)動機；半導(dǎo)體級靶材純度提升至99.9999%，滿足超大規(guī)模集成電路要求。這使鈦鋁靶材從“耗材”轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)-功能一體化材料。

性能突破推動鈦鋁靶材應(yīng)用于高端裝備核心制造。航空航天領(lǐng)域，TiAlN涂層提升航空發(fā)動機葉片性能，梯度復(fù)合靶材用于高超音速飛行器熱防護(hù)；半導(dǎo)體與新能源方面，高純鈦靶用于芯片制造，超彈性靶材保障氫能裝備安全；生物醫(yī)療與深空探索中，高純鈦靶用于植入器械抗菌，月壤冶煉鈦鋁靶材實現(xiàn)地外制造閉環(huán)，靶材成為高端裝備不可或缺的核心材料。產(chǎn)業(yè)生態(tài)變革助力鈦鋁靶材發(fā)展。制造工藝上，寶鋼綠氫還原技術(shù)解決環(huán)保問題，梯度封接實現(xiàn)多功能集成；國產(chǎn)替代進(jìn)程加快，多家企業(yè)產(chǎn)品通過驗證，國產(chǎn)份額顯著提升，同時相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推動性能聯(lián)動評價；全球競爭中，美國關(guān)稅倒逼國內(nèi)供應(yīng)鏈升級，區(qū)域產(chǎn)業(yè)集群形成，降低成本30%。鈦鋁靶材在性能上突破物理極限，應(yīng)用上深入裝備核心，產(chǎn)業(yè)上重塑全球價值鏈，印證了高端制造業(yè)“材料先行”規(guī)律。未來，隨著聚變堆、腦機接口等領(lǐng)域需求增長，鈦鋁靶材將向“戰(zhàn)略級材料”躍遷，成為大國高端裝備競爭的關(guān)鍵。以下為凱澤金屬對鈦鋁合金靶材（TiAl）的成分特性、制造工藝、應(yīng)用案例及前沿趨勢，將其綜合技術(shù)分析如下：

一、名義及化學(xué)成分

鈦鋁合金靶材為Ti-Al二元合金，成分按原子百分比（at%）劃分，不同比例對應(yīng)差異化的相結(jié)構(gòu)與用途：

關(guān)鍵元素作用：

Al≥30%：提升抗氧化性（800℃增重<2mg/cm2）及濺射速率；

Ti≥50%：保障延展性（延伸率>5%）及可鍛性；

雜質(zhì)控制：O≤800ppm，N≤200ppm（防止濺射膜晶格缺陷）。

二、物理與機械性能

（1）基礎(chǔ)物理性能

（2）機械性能

強度特性：Ti50Al50靶材抗彎強度≥650MPa，硬度HV 350~400；

高溫性能：Ti70Al30在750℃下抗蠕變強度達(dá)220MPa（鎳基合金的1.5倍）

脆性控制：雙相合金（如70:30）通過熱機械處理可將斷裂韌性提升至25MPa·m1/2。

三、耐腐蝕性能

海水環(huán)境：Ti70Al30在3.5% NaCl溶液中年腐蝕率<0.001mm，點蝕電位>1.2V（SCE）；

高溫氧化：Al≥40%時形成致密Al?O?膜，800℃下氧化增重<3mg/cm2（優(yōu)于鎳基合金）；

酸堿腐蝕：在10% HCl溶液中，Ti50Al50腐蝕率僅為純鈦的1/5。

四、國際牌號對應(yīng)

注：半導(dǎo)體用高純靶材需符合ASTM F42標(biāo)準(zhǔn)（雜質(zhì)總量≤100ppm）。

五、加工注意事項

（1）機械加工

刀具選擇：推薦山特維克CoroMill? 300硬質(zhì)合金涂層刀，前角≥15°；

切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速≤50m/min，進(jìn)給量0.1mm/r，冷卻液壓力≥70Bar（防粘刀）；

防變形措施：薄壁靶材裝夾需用柔性夾具，殘余應(yīng)力控制<30MPa。

（2）焊接與連接

電子束焊：真空度<5×10?3Pa，能量密度15~25kJ/cm2（防止Al揮發(fā)）；

擴散焊：850℃/40MPa/2h，界面強度達(dá)母材90%。

六、產(chǎn)品規(guī)格與制造工藝

（1）工業(yè)規(guī)格范圍

（2）核心工藝流程

熔鑄法（Ti≥50%）：

海綿鈦（0級）+ 高純Al → 真空自耗電弧熔煉（16000A，0.01Pa）→ 凝殼爐精煉 → 多向鍛造 → 熱處理。

粉末冶金法（Ti<50%）：

Ti/Al粉球磨 → 冷等靜壓（180MPa）→ 包套脫氣（10??Pa）→ 熱等靜壓（250℃/120MPa）→ 擴散退火（550℃/6h）。

七、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

成分標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 26014-2022《濺射靶材用鈦鋁合金錠》；

半導(dǎo)體級：SEMI F42-0708（純度≥99.999%，晶粒≤30μm）；

航空級：AMS 4992D（氧≤800ppm，疲勞強度≥400MPa）。

八、核心應(yīng)用與突破案例

（1）半導(dǎo)體領(lǐng)域

凱澤金屬：開發(fā)7N級TiAl靶材，用于臺積電3nm制程銅互連阻擋層，薄膜不均勻度≤1.8%（全球領(lǐng)先）；

中揚金屬：超大尺寸（Φ450mm）旋轉(zhuǎn)靶突破晶粒取向控制技術(shù)，濺射速率提升30%。

（2）航空航天領(lǐng)域

華鈦瑞翔：全球首創(chuàng)一體成型Ti48Al2Cr2Nb低壓渦輪葉片，減重50%，燃油效率提升20%，用于長江CJ-1000A發(fā)動機；

普惠公司：TiAl靶材濺射渦輪葉片熱障涂層（TBC），使GTF發(fā)動機耐溫提升140℃。

（3）顯示技術(shù)

三星QD-OLED：采用Ti70Al30靶材制備陽極導(dǎo)電層，電阻率降至5μΩ·cm，良品率提升12%。

九、先進(jìn)制造工藝進(jìn)展

超純凈熔煉技術(shù)

懸浮區(qū)熔（FZ）：制備7N級TiAl，雜質(zhì)O≤0.1ppm；

冷床精煉：去除高密度夾雜（HDI），靶材壽命延長3倍。

近凈成形技術(shù)

熱等靜壓+3D打印：江蘇華鈦實現(xiàn)葉片型面精度±0.05mm，材料利用率從15%提至85%。

織構(gòu)調(diào)控技術(shù)

異步軋制：使Ti50Al50靶材（110）取向占比>85%，濺射膜均勻性提高至98%。

十、國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化對比

中國突破點：華鈦瑞翔實現(xiàn)鈦鋁合金葉片“設(shè)計-制造-檢測”全鏈條國產(chǎn)化，設(shè)備國產(chǎn)化率100%。

十一、技術(shù)挑戰(zhàn)與前沿攻關(guān)

（1）高Al合金脆性難題

解決方案：

添加0.5%Y?O?納米顆粒，使TiAl?延伸率從0.5%提至4.2%；

激光選區(qū)熔化（SLM）原位生成TiB?增強相，抗彎強度提升至880MPa。

（2）超大靶材組織均勻性

創(chuàng)新工藝：

多級梯度熱軋（寶鈦）：Φ450mm靶材心表晶粒度差≤0.5級；

磁場輔助燒結(jié)（哈工大）：致密度達(dá)99.9%，能耗降40%。

十二、趨勢展望

超高純度與復(fù)合化

7N級TiAl靶材適配2nm以下芯片，需突破電子束冷床精煉技術(shù)；

TiAl/MoS?復(fù)合靶材開發(fā)，實現(xiàn)集成電路“導(dǎo)電-絕緣”一體化沉積。

綠色制造與循環(huán)利用

殘靶再生技術(shù)（江豐）：廢靶回收率>95%，成本降30%；

氫冶金還原：替代克勞爾法，海綿鈦能耗從35kWh/kg降至20kWh/kg。

新應(yīng)用場景拓展

核聚變裝置：TiAl/W層狀靶材耐受第一壁1400℃中子輻照8；

太空光伏：Ti30Al70靶材濺射耐輻射薄膜，轉(zhuǎn)換效率>28%（NASA驗證）。

產(chǎn)業(yè)建議：建立“靶材-鍍膜設(shè)備-薄膜檢測”聯(lián)合平臺，推動半導(dǎo)體靶材成本降至$500/kg（當(dāng)前$3000/kg）；加速航空級TiAl納入國際適航認(rèn)證體系（如FAA Part 33）。

結(jié)語：

鈦鋁合金靶材正從“單一鍍膜耗材”向“高端裝備核心材料”躍遷，需在超純?nèi)蹮挕⒖绯叨冉Y(jié)構(gòu)調(diào)控等方向持續(xù)攻關(guān)，支撐中國半導(dǎo)體與航空工業(yè)自主化戰(zhàn)略。