CN115698355A

CN115698355A - 制造用于真空室元件的铝合金板的方法

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Publication number: CN115698355A
Application number: CN202180040721.3A
Authority: CN
Inventors: D·爱斯特; F·丽兹; B·雅各比
Original assignee: Aleris Rolled Products Germany GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2023-02-03
Also published as: US20230220522A1; WO2021250545A1; JP2023524523A; EP3922743A1; KR20220156648A; CA3181196A1; EP4165223A1

Abstract

本文中描述一种制造用于真空室元件、阀或总组合件的铝合金板的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供Al‑Mg‑Si铝合金的轧制原料材料，所述轧制原料材料的组成以wt.％计包括：Mg 0.80％‑1.05％、Si 0.70％‑1.0％、Mn 0.70％‑0.90％、Fe至多0.20％、Zn至多0.08％、Cu至多0.05％、Cr至多0.03％、Ti至多0.06％，无法避免的杂质，以及余量为铝；(b)在550℃‑595℃范围中的温度下将轧制原料均质化；(c)在一或多个轧制步骤中将所述经均质化轧制原料热轧制成厚度为至少10mm的经热轧制板；(d)在540℃‑590℃的范围中的温度下对所述经热轧制板进行固溶热处理(SHT”)；(e)快速冷却所述SHT板；(f)对所述经冷却SHT板拉伸以获得1％‑5％的永久伸长率；(g)对所述经拉伸板进行人工老化。

Description

制造用于真空室元件的铝合金板的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年6月10日提交的欧洲专利申请第20179258.7号的权益和优先权，所述申请的内容通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种制造Al-Mg-Si合金(也称为6XXX系列铝合金)的铝合金板的方法，所述铝合金板用于形成用于制造半导体装置及液晶装置的设备的真空室的元件以及放置在真空室中的那些元件，所述设备是例如CVD系统、PVD系统、离子注入系统、溅射系统及干式蚀刻系统。本发明还涉及一种由Al-Mg-Si合金板制造真空室元件的方法。本发明进一步涉及由Al-Mg-Si合金板制造阀及总组合件的方法。

背景技术

反应性气体、蚀刻气体及含有卤素的腐蚀性气体作为清洁气体被供应到用于制造半导体装置及液晶装置的设备的真空室中，所述设备是例如CVD系统、PVD系统、离子注入系统、溅射系统及干式蚀刻系统。因此，要求真空室对腐蚀性气体具有耐腐蚀性(下文中称为“腐蚀性气体耐受性”)。由于在真空室中通常产生卤素等离子体，因此对等离子体的耐受性(下文中称为“等离子体耐受性”)也很重要。近来，铝及铝合金材料已用于形成真空室的元件，因为铝及铝合金材料重量轻且导热性好。由于铝及铝合金材料在腐蚀性气体耐受性及等离子体耐受性方面不令人满意，因此已提出用于改善那些性能的各种表面质量改善技术。然而，那些性能中的许多仍然不令人满意，并且期望进一步改善那些性能。已发现用具有高硬度的硬质阳极氧化膜涂覆铝或铝合金材料可有效地改善等离子体耐受性。硬质阳极氧化膜对具有高物理能量的等离子体造成的部件磨损具有耐受性，因此能够改善等离子体耐受性。真空室元件还需要充分高的机械强度及伸长率以及阳极氧化后的颜色均匀性及高击穿电压。

美国专利文件US-2012/0325381-A1公开了一种用于制造至少250mm厚的铝块的制造工艺，所述铝块被设计用于制造真空室的元件，所述工艺包括：铸造所给定6XXX系列铝合金的块；任选地均质化所述所铸造块；直接对所铸造及任选地均质化的块进行固溶热处理；对所述块进行淬火；通过冷压方式减轻所述经淬火块的应力，后续接着通过人工老化到T652条件。所公开工艺的一个关键要素是，在固溶热处理之前，未对所述块进行热加工或冷加工来减小其厚度。所得板产品是所谓“铸造板”。铸造板的缺点在于，由元素如铁、锰、镁及硅在晶界处的结合及沉淀产生的无法避免的相通常在固化后以共晶形式存在，不能在随后加工步骤如均质化及固溶热处理中完全溶解，并作为裂纹萌生的位点保留，因此显著降低了机械性能(例如，极限拉伸强度、伸长率、韧性等等)，或者作为局部腐蚀(例如点状腐蚀)的引发剂，并且对最终处理如阳极氧化也是有害的，这对于真空室元件特别相关。铸造合金内存在的任何氧化层也将保持其原始形状，因此也降低了机械性质。尽管铸造板产品的生产可能更具成本效益，因为基本上维持了铸态微观结构，并且很大程度上取决于铸造操作期间的局部冷却速度，但与经轧制板产品相比，作为测试位置的函数，机械性质的变化要大得多，使得铸造板不太适合于许多关键应用。

附图简述

图1是用于分析本文中所描述的铝合金材料的相及颗粒的样本光显微镜图像。

具体实施方式

如在下文中将了解，除非另有指示，否则铝合金命名及回火命名是指铝协会在2019年发布的铝标准及数据以及注册记录(Aluminium Standards and Data and theRegistration Records)中的铝协会命名，并且是所属领域的技术人员所熟知的。欧洲标准EN515中也制定了回火命名。

对于合金组成或优选合金组成的任何描述，除非另有指示，否则所有对百分比的提及均按重量百分比计。

如本文所采用的术语“至多”及“至多约”明确包含但不限于其所提及的特定合金组分的重量百分比为零的可能性。举例来说，至多0.08％Zn可包含不具有Zn的铝合金。

本发明的目标是提供一种制造用于形成真空室元件的Al-Mg-Si铝合金或6XXX系列铝合金的铝合金板的方法。本发明的另一目标是提供一种由Al-Mg-Si铝合金板制造真空室元件的方法。本发明的又一目标是提供一种由Al-Mg-Si铝合金板制造阀及总组合件的方法。

本发明满足或超越了这些及其他目标以及进一步优点，并且提供了一种制造用于真空室元件的铝合金板的方法，所述方法依次包括以下步骤：

(a)提供Al-Mg-Si铝合金的轧制原料材料，所述轧制原料材料的组成以wt.％计包括：

Mg 0.80％到1.05％；

Si 0.70％到1.0％；

Mn 0.70％到0.90％；

Fe 至多0.20％；

Zn 至多0.08％，优选地至多0.05％；

Cu 至多0.05％，优选地至多0.03％；

Cr 至多0.03％，优选地至多0.02％；

Ti 至多0.06％，优选地为0.01％到0.06％；

无法避免的杂质各自＜0.03％，总量＜0.10％，余量为铝；

(b)在550℃到595℃的范围中的温度下将轧制原料均质化；

(c)在一或多个轧制步骤中将经均质化轧制原料热轧制成厚度至少为10mm的经热轧制板；

(d)在540℃到590℃的范围中的温度下对经热轧制板进行固溶热处理(SHT”)；

(e)优选地通过在水或其他淬火介质中进行喷雾淬火或浸没淬火中的一种来对SHT板进行快速冷却或淬火；

(f)对经冷却SHT板进行拉伸以获得1％到5％的永久伸长率；

(g)对经拉伸板进行人工老化，优选地到T6条件(例如，T651)或T7条件(例如，T7651)。

通过仔细控制Al-Mg-Si合金的窄组成范围并结合热机械加工，所得铝合金板理想地适合于制造真空室元件。所得铝合金板用于宽厚度范围中，且可利用坚硬阳极涂层进行很好的阳极氧化。铝板材料具有高机械性质，从而为真空室元件提供了良好的形状稳定性。经阳极氧化元件的几个性质取决于板材料的微观结构及组成。板产品在板内具有均匀相分布的微观结构，从而导致对阳极层的影响较少，所述影响涉及例如阳极氧化后的板厚度及表面均匀性。根据本发明，所得板产品提供了高腐蚀性气体耐受性，例如，如在使用5％HCl的气泡试验中所测试；并且具有根据ISO-2376(2010)测量的高击穿电压(AC、DC)。

在实施方案中，根据适用标准ISO 6892-1 B，在T651条件下厚度为55mm的Al-Mg-Si合金板在LT方向上具有至少250MPa且甚至至少265MPa的拉伸屈服强度(YS)。

在实施方案中，根据适用标准ISO 6892-1 B，在T651条件下厚度为55mm的Al-Mg-Si合金板在LT方向上具有至少300MPa且甚至至少310MPa的拉伸强度(UTS)。

在实施方案中，根据适用标准ISO 6892-1 B，在T651条件下厚度为55mm的Al-Mg-Si合金板在LT方向上具有至少8％且甚至至少10％的伸长率(A_50mm)。

Mg与Si的组合是铝合金中的主要合金元素，以通过形成Mg₂Si相来提供强度。Mg应在0.80％到1.05％的范围中，且优选在0.85％到1.05％的范围中。Mg含量的优选上限是1.0％。Mg含量过高可能导致形成粗大的Mg₂Si相，从而对随后施加的阳极氧化涂层的质量具有不利影响。Mg含量过低对铝板的拉伸性质具有不利影响。

Si应在0.70％到1.0％的范围中。在实施方案中，Si含量为至少0.75％，优选地至少0.80％，并且最优选地至少0.84％。在实施方案中，Si含量的上限是0.95％。

在实施方案中，Mg/Si的比率以wt.％计大于0.9，且优选地大于1.0，并且最优选地大于1.05。如根据本发明那样，在相对高温度下进行SHT之后，减少铝合金中游离Si的量有利于增加铝板的伸长率。

另一重要合金元素是Mn，且应在0.70％到0.90％的范围中，以增加铝板的强度并控制晶粒结构，且在固溶热处理及淬火后导致再结晶。优选下限是0.75％。优选上限是0.85％。

Fe是不应超过0.20％的杂质元素。为了控制晶粒大小并在阳极氧化后实现高机械强度及良好耐腐蚀性，Fe水平优选地至多0.12％。然而，优选地存在至少0.03％，且更优选地存在至少0.04％。Fe含量过低可能导致非所期望再结晶晶粒粗化并使铝合金过于昂贵。Fe含量过高会导致拉伸性质降低，并且归因于形成AlFeSi相等等而对例如阳极氧化后的击穿电压具有不利影响，且还对腐蚀性气体耐受性具有不利影响。

至多约0.08％的Zn、至多约0.05％的Cu及至多约0.03％的Cr是可容许的杂质，并且对随后施加的阳极氧化涂层的质量具有不利影响，例如腐蚀性气体耐受性降低。在实施方案中，Zn至多约0.05％，且优选地至多约0.03％。在实施方案中，Cu至多约0.03％，且优选地至多约0.02％。在实施方案中，Cr至多约0.02％。

添加至多0.06％的Ti作为铸态微观结构的晶粒细化剂。在实施方案中，Ti存在于约0.01％到0.06％的范围中，且优选存在于约0.01％到0.04％的范围中。

余量由铝及无法避免的杂质组成。每种杂质至多0.03％，且总杂质至多0.10％。

在实施方案中，Al-Mg-Si铝合金以wt.％计具有由以下各项组成的组成：Mg0.80％到1.05％；Si 0.70％到1.0％；Mn 0.70％到0.90％；Fe至多0.20％；Zn至多0.08％；Cu至多0.05％；Cr至多0.03％；Ti至多0.06％；无法避免的杂质各自至多0.03％，总量至多0.10％，余量为铝；及优选较窄范围，如本文中所描述和要求的那样。

在实施方案中，Al-Mg-Si铝合金具有以wt.％计包括以下各项的组成：

Mg 0.70％到1.05％；

Si 0.70％到1.0％；

Mn 0.60％到1.0％，优选地至多0.95％；

Fe 至多0.20％；

Zn 至多0.2％；

Cu 至多0.10％；

Cr 至多0.05％，优选地至多0.04％；

Ti 至多0.1％，优选地0.01％到0.08％；

Ni 至多0.06％；

无法避免的杂质各自＜0.05％，总量＜0.15％，余量为铝。

Al-Mg-Si-Mn铝合金以铸锭或扁锭的形式提供，用于通过铸造产品领域中常规的铸造技术(例如直接激冷(DC)铸造、电磁铸造(EMC)铸造、电磁搅拌(EMS)铸造)来制作成经热轧板产品，并且优选地铸锭厚度在约220mm或更大的范围中，例如400mm、500mm或600mm。在对轧制原料进行铸造之后，铸态铸锭通常被去皮以移除铸锭的铸造表面附近的偏析区带。如本领域中所熟知，使用晶粒细化剂(例如含钛及硼或者钛及碳的晶粒细化剂)来获得精细铸态晶粒结构。

均质化热处理的目的至少具有以下目标：(i)尽可能多地溶解凝固期间形成的粗大可溶相，及(ii)降低浓度梯度以促进溶解步骤。预热处理也实现了这些目标中的一些。在550℃到595℃的温度范围中进行均质化工艺。在实施方案中，均质化温度为至少555℃，且更优选地至少565℃。均质化温度下的均热时间在约1到20小时的范围中，且优选地不超过约15小时，并且更优选在约5到15小时的范围中。可应用的加热速率为本领域中例行的加热速率。

进行热轧制以达成10mm或更厚的热轧制板厚度。在实施方案中，上限为约230mm，优选地约200mm，且更优选地约180mm。

下一重要工艺步骤是经热轧制板材料的固溶热处理(“SHT”)。应加热板材产品，以尽可能将所有或基本上所有部分的可溶性合金元素带入溶液中。优选地在约540℃到590℃的温度范围中的温度下实行SHT。较高SHT温度提供了更有利的机械性质，例如R_m增加。在实施方案中，SHT温度的下限为545℃，优选地为550℃。在实施方案中，SHT温度的上限为约580℃，更优选地为约575℃。低SHT温度降低了铝板的强度，并且一些大的Mg₂Si相主要保持未溶解，且可能产生所谓“热点”，并且降低阳极氧化后的耐腐蚀性，并降低击穿电压。据信，较短均热时间例如对于厚度高达50mm的板是非常有用的，例如在约10到180分钟的范围中，优选地在10到40分钟的范围中，且更优选地在10到35分钟的范围中。在相对较高SHT温度下，均热时间过长会导致几种相的生长，从而对铝板的延展性产生不利影响。通常在间歇或连续炉中实行SHT。在SHT之后，重要的是以高冷却速率将板材料冷却到100℃或更低的温度，优选地冷却到40℃以下，以防止或最小化二次相不受控制地沉淀。另一方面，冷却速度最好不要过高，以使板产品具有充足平整度及低水平的残余应力。可利用水的使用(例如水浸没或水喷射)来实现合适的冷却速率。

优选地通过在其原始长度的约1％到5％的范围中进行拉伸的方式对经SHT及经淬火板进行进一步冷加工，以释放其中的残余应力并改善板产品的平整度。优选地，拉伸的范围为约1.5％到4％，更优选地约2％到3.5％。

在冷却之后，对经拉伸板材料进行老化，优选地进行人工老化，更优选地提供T6条件，更优选的T651条件。在实施方案中，在150℃到190℃的范围中的温度下进行人工老化且优选地进行5到60小时的时间。

在实施方案中，将拉伸板材料老化到过老化T7条件，优选地T74或T76条件，且更优选地T7651条件。

在本发明的又一方面中，本发明涉及一种制造真空室元件的方法，所述方法包括制造厚度为至少10mm的Al-Mg-Si合金板的步骤，如本文中所陈述和所要求的那样，并且所述方法进一步包括随后步骤：

(h)例如在T6、T651、T7、T74、T76或T7651条件下，将所述老化板经机器加工成预定形状及尺寸的真空室元件；

(i)优选地通过阳极氧化的方式对真空室元件进行表面处理；优选地以提供至少20μm的阳极层或阳极涂层厚度，且优选地至少30μm的厚度；

(j)任选地，在去离子水中在至少80℃且优选地至少98℃的温度下对如此阳极氧化的产品进行水合或密封，优选地持续至少约1小时。在实施方案中，分两步进行水合，第一步在30℃到70℃的温度下持续至少10分钟，且第二步在至少98℃的温度下持续至少约1小时。

在实施方案中，使用包括至少硫酸的电解溶液在约15℃到30℃的温度以及约1.0A/dm²到约2A/dm²的电流密度下进行阳极氧化。阳极氧化槽中的酸浓度的范围通常为约5vol.％到20vol.％。取决于所期望氧化层厚度，所述过程需要约0.5到60分钟。硫酸阳极氧化一般产生厚度为约8微米到约40微米的氧化层。

在实施方案中，在包括至少硫酸的电解液中，在约0℃到约10℃的温度以及约3A/dm²到约4.5A/dm²的电流密度下进行阳极氧化。所述过程一般需要约20分钟到约120分钟。此硬涂层阳极氧化一般产生厚度为约30微米到约80微米或者更厚的氧化层。

在一些实施方案中，本文中所描述的材料的相及颗粒的密度可具有小于400相/mm²的大于10μm²的大小。举例来说，所述材料的相及颗粒的密度可具有100到400相/mm²或者250到350相/mm²的范围的大于10μm²的大小。相及颗粒可包含AlFeSi型相及颗粒以及Mg₂Si相及和颗粒。

以下实施例将用于进一步说明本发明，但不构成对本发明的任何限制。相反，应清楚地理解，在阅读了本文中的说明之后，所属领域的技术人员可想到做出各种其他实施方案、修改以及其等效方案而不背离本发明的精神。

实施例

如本文中所描述，对用于阳极氧化的铝合金样本进行相分析实验。研究了三个不同厚度的样本，包含厚度为130mm的样本(本文中称为“样本1”)、厚度为40mm的样本(本文中称为“样本2”)及厚度为14mm的样本(本文中称为“样本3”)。在三个位置处对样本中的每一者进行分析，所述三个位置包含近表面位置(“表面”)、四分之一厚度位置(“s/4”)及一半厚度位置(“s/2”)。以1280×1024像素²(0.382μm/像素)在每位置捕获七个图像。由于对七个图像分析了0.191mm²/图像，所以对每一位置的大约1.34mm²进行了研究，总计总共12.05mm²。因此，对样本进行了广泛研究。

所述图像是使用光显微镜放大200倍拍摄的。以同一方式制备样本。没有进行蚀刻。对每一样本进行研磨及抛光，特别注意避免归因于制备方法而对数据产生任何影响，例如，归因于使用灰度分析工具而可能被误解的孔隙或划痕。

所分析的相及颗粒主要是AlFeSi型相及颗粒以及Mg₂Si相及颗粒。使用ImageJ软件进行检测，并以灰度进行分析。样本图像展示在图1中。过滤器仅用于对面积大于10μm²的颗粒进行计数。结果展示在下表1中。每一位置的密度展示在标记为“密度(相/mm²)”的列中，每一样本的平均密度(通过取每一样本的三个位置的平均值计算)展示在标记为“平均密度(相/mm²)”的列中，并且通过取九个测量值(三个样本及每个样本的三个位置)的平均值计算的总平均密度展示在标记为“所有样本的总平均密度(相数/mm²)”的列中。如表1中所展示，密度范围为250到320相/mm²。

表1

上文所引用的所有专利、出版物及摘要通过引用以其整体并入本文中。为了实现本发明的各个目标，已描述本发明的各个实施方案。应认识到，这些实施方案仅用于说明本发明的原理。在不背离如在所附权利要求中限定的本发明的精神及范围的情况下，所述实施方案的各种修改及改动对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的。

Claims

1.一种制造用于真空室元件、阀或总组合件的铝合金板的方法，所述方法包括以下步骤：

(a) 提供Al-Mg-Si铝合金的轧制原料材料，所述轧制原料材料的组成以wt.%计包括：

Mg 　　 0.80%到1.05%，

Si 　　 0.70%到1.0%，

Mn 　　 0.70%到0.90%，

Fe 　　至多0.20%，

Zn 　　至多0.08%，

Cu 　　至多0.05%，

Cr 　　至多0.03%，

Ti 　　至多0.06%，

无法避免的杂质各自＜0.03%，总量＜0.10%，余量为铝；

(b) 在550℃到595℃的范围中的温度下将所述轧制原料均质化；

(c) 在一或多个轧制步骤中将所述经均质化轧制原料热轧制成厚度为至少10 mm的经热轧制板；

(d) 在540℃到590℃的范围中的温度下对所述经热轧制板进行固溶热处理(“SHT”)；

(e) 快速冷却所述SHT板；

(f) 对所述经冷却SHT板进行拉伸以获得1%到5%的永久伸长率；以及

(g) 对所述经拉伸板进行人工老化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述经均质化轧制原料热轧制成厚度在10 mm到230 mm范围中的板。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中Mg含量在0.85%到1.05%的范围中。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中Si含量在0.70%到0.95%的范围中。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其中比率(以wt.%计) Mg/Si大于0.9。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中Mn含量在0.75%到0.85%的范围中。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其中Fe含量至多0.12%。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其中Ti含量在0.01%到0.06%的范围中。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其中在555℃到595℃的范围中的温度下对所述轧制原料进行均质化。

10.根据权利要求1到9中任一项所述的方法，其中在545℃到580℃的范围中的温度下对所述经热轧制板进行所述固溶热处理。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的方法，其中在150℃到190℃的范围中的温度下进行所述人工老化。

12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述人工老化进行5到60小时的时间。

13.根据权利要求1到12中任一项所述的方法，其中通过在水或其他淬火介质中进行喷雾淬火或浸没淬火中的一种来进行所述快速冷却。

14.根据权利要求1到13中任一项所述的方法，其中进行所述人工老化以实现T6回火。

15.根据权利要求1到14中任一项所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

(h) 将所述经老化板经机器加工成真空室元件、阀或总组合件；以及

(i) 对所述真空室元件、所述阀或所述总组合件进行表面处理。

16.根据权利要求15所述的方法，其中通过阳极氧化来进行所述表面处理。

17.根据权利要求1到16中任一项所述的方法，其中所述铝合金板的相及颗粒的密度具有小于400相/mm²的大于10 μm²的大小。

18.一种制造用于真空室元件、阀或总组合件的铝合金板的方法，所述方法包括以下步骤：

Mg 　　 0.70%到1.05%；

Si 　　 0.70%到1.0%；

Mn 　　 0.60%到1.0%；

Fe 　　至多0.20%；

Zn 　　至多0.2%；

Cu 　　至多0.10%；

Cr 　　至多0.05%；

Ti 　　至多0.1%；

Ni 　　至多0.06%；

无法避免的杂质各自＜0.05%，总量＜0.15%，余量为铝；

(b) 在550℃到595℃的范围中的温度下将所述轧制原料材料均质化；

(e) 快速冷却所述SHT板；

(g) 对所述经拉伸板进行人工老化。

19.根据权利要求18所述的方法，其中通过在水或其他淬火介质中进行喷雾淬火或浸没淬火中的一种来进行所述快速冷却。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中在150℃到190℃的范围中的温度下进行所述人工老化且进行5到60小时的时间。

21.根据权利要求18到20中任一项所述的方法，其中进行所述人工老化以实现T6回火。