DD293766A5

DD293766A5 - METHOD FOR THE PRODUCTION OF COMPACT FORMKOERPERS FROM POWDER MIXTURES WITH EXTREMELY DIFFERENT CHEMICAL AND / OR PHYSICAL PROPERTIES OF THE INDIVIDUAL COMPONENTS

Info

Publication number: DD293766A5
Application number: DD34006990A
Authority: DD
Inventors: Hans Fiedler; Hans-Joachim Scheibe
Original assignee: Zi F. Festkoerperphysik Und Werkstofforschung Der Adw,De
Priority date: 1990-04-25
Filing date: 1990-04-25
Publication date: 1991-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung kompakter Formkoerper aus Pulvergemischen, mit extrem unterschiedlichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Einzelkomponenten. Das Verfahren ist zur Herstellung von Targets fuer die verschiedenen Verfahren der Sputtertechnik zum Aufbringen von Schichten auf gekuehlte Substrate geeignet. Nach herkoemmlicher pulvermetallurgischer Technologie wird ein Gruenling mit einer Dichte von mindestens 60% der theoretischen Dichte hergestellt und durch Laserstrahleinwirkung an der Oberflaeche verfestigt.{Kompakte Formkoerper; Targets; Sputtertechnik; Pulvermetallurgie; Gruenling; Laserstrahleinwirkung}The invention relates to a process for producing compact moldings from powder mixtures, with extremely different chemical and / or physical properties of the individual components. The method is suitable for the production of targets for the various methods of sputtering technique for applying layers to cooled substrates. According to traditional powder metallurgical technology, a green sheet is produced with a density of at least 60% of the theoretical density and solidified by laser beam action on the surface. {Compact Moldings; targets; sputtering; Powder metallurgy; Gruenling; Laser beam exposure}

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete Pulvermetallurgie und Lasertechnologie und betrifft ein Verfahren zur Herstellung kompakter Formkörper aus Pulvergemischen, die sich wegen extremer Unterschiede in ihren chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Einzelkcmponenten nicht ohne weiteres durch übliche pulvermetallurgische Technologien homogen verdichten lassen. Die Erfindung ist insbesondere zur Herstellung von großflächigen Targets für die verschiedenen Verfahren der Sputtertechnik (PVD) zum Aufbringen von Schichten auf gekühlte Substrate geeignet.The invention relates to the fields of powder metallurgy and laser technology and relates to a method for producing compact shaped bodies from powder mixtures which can not be densified homogeneously by conventional powder metallurgy technologies due to extreme differences in their chemical and / or physical properties of Einzelkcmponenten. The invention is particularly suitable for the production of large area targets for the various methods of sputtering (PVD) for applying layers to cooled substrates.

Characteristic of the known state of the art

Für das Sputtern mittels verschiedener physikalischer Verfahren (PVD) wie Plasmatron-, Elektronenstrahl- oder Laserverfahren werden homogene Targets benötigt, die in ihren Abmessungen ein ungünstiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen, meist in Form von dünnen Platten oder Scheiben. Schmelzmetallurgische Verfahren wie z. B. durch das WP 206686 bekannt, können in den Fällen nicht zur Anwendung kommen, wenn aufgrund unterschiedlicher chemischer oder physikalischer Eigenschaften die Komponenten nicht gleichermaßen aufschmelz- bzw. mischbar sind und bei der Erstarrung der Gießkörper schädliche Steigerungen, Spannungsrisse oder Verzug eintreten können. Aus diesem Grund kommt der pulvermetallurgischen Herstellung von Targets fast universelle Bedeutung zu, da damit auch die sogenannten Cermetmaterialien verarbeitet werden können. Aber auch nicht alle Pulvergemische, insbesondere nicht solche mit extremen Unterschieden der Einzelkomponenten in ihren chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften, lassen sich durch die klassischen Verfahrensstufen Mischen-Pressen-Sintern zu homogenen, großflächigen kompakten Körpern verarbeiten. Das ist z. B. beim System Titan-Aluminium der Fall. Dieses System ist insofern von besonderem Interesse, da an Schneidkanten von Werkzeugen, die mit einer Schicht aus Ti-Al-M belegt waren, beobachtet wurde, daß sie einen erhöhten Verschleißwiderstand bei der Zerspanung aufweisen. (Thin Solid Films 153 [1987) S.45-53,83-90). Die einfache pulvermetallurgische Herstellung von zum Sputtern geeigneten kompakten Körpern aus Titan- und Aluminiumpulvern führte bisher nicht oder nur mit unvertretbar großem Aufwand durch lange Sinterzeiten zum Erfolg. Zurückzuführen ist das darauf, daßFor sputtering by various physical processes (PVD) such as plasmatron, electron beam or laser process homogeneous targets are required, which have an unfavorable surface-to-volume ratio in their dimensions, usually in the form of thin plates or discs. Melt metallurgical processes such. B. known by the WP 206686, can not be used in cases where due to different chemical or physical properties, the components are not equally melted or miscible and can occur during solidification of the casting harmful incriminations, stress cracks or distortion. For this reason, the powder-metallurgical production of targets is of almost universal importance, since it allows the so-called cermet materials to be processed. But not all powder mixtures, in particular not those with extreme differences in the individual components in their chemical and / or physical properties can be processed by the classical process steps mixing-pressing-sintering to homogeneous, large-scale compact bodies. This is z. B. the system titanium-aluminum case. This system is of particular interest in that cutting edges of tools coated with a layer of Ti-Al-M have been observed to exhibit increased wear resistance during machining. (Thin Solid Films 153 [1987] p.45-53, 83-90). The simple powder-metallurgical production of compact bodies suitable for sputtering from titanium and aluminum powders has not hitherto led to success, or only with unacceptably great effort, by long sintering times. This is due to the fact that

- bereits bei der Herstellung der homogenen Pulvermischung durch Mahlen von Titan- und Al-Pulver eine Sauerstoffaufnahme schwer zu unterdrücken ist und unzulässige, höhere OyGehalte vor allem im Titan einen Härteanstieg und Versprödung bewirken,Already in the production of the homogeneous powder mixture by grinding of titanium and Al powder, an oxygen uptake is difficult to suppress and impermissible higher Oy contents, especially in titanium, cause a hardening of the hardness and embrittlement,

- beim Hochtemperatursintern der homogenen gemischten und verpreßten Pulver ein vorzeitiges Auslaufen der niedriger schmelzenden Al-Phase schwer zu verhindern ist undduring high-temperature sintering of the homogeneous mixed and compressed powders, premature leakage of the lower melting Al phase is difficult to prevent and

- daß beim Sintern bzw. in der Abkühlphase nach dem Sintern infolge von Umordnungsvorgängen im Ti-Al-Mischkristall Strukturen entstehen, die Versprödung und damit Rißanfälligkeit bewirken.- That arise during sintering or in the cooling phase after sintering as a result of Umordnungsvorgängen in Ti-Al mixed crystal structures that cause embrittlement and thus susceptibility to cracking.

Diese für das System Ti-Al mit ihren unterschiedlichen Schmelzpunkten der reinen Metalle von ca. 1000⁰C getroffenen Aussagen sind auch auf andere Werkstoffpaarungen wie Metall-Metall-Kombination mit Schmelzpunktunterschieden >500K, Metall-Metalloxiden, Nichtmetall-Metalloxiden oder Metallen, 2- oder Mehrstoffsystemen anwendbar, bei denen die Einzelkomponenten in ihren chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften unterschiedlich sind, zum Beispiel betrifft dies auch Werkstoffe, die als Targets zur Erzeugung hochtemperatur-supraleitender Schichten aus sog. 1-2-3-Phasen wie Y-Ba-Cu-Oxiden oder Bi-Ba-Cu-Oxiden eingesetzt werden oder Targets zur Erzeugung von Oberflächenschichten aus Cr-Si.These statements made for the system Ti-Al with their different melting points of pure metals of approx. 1000 ^° C. are also valid for other material combinations such as metal-metal combination with melting point differences> 500 K, metal-metal oxides, non-metal metal oxides or metals, 2 or multi-substance systems in which the individual components differ in their chemical and / or physical properties, for example, this also applies to materials that are used as targets for the production of high-temperature superconducting layers of so-called 1-2-3 phases such as Y-base. Cu oxides or Bi-Ba-Cu oxides are used or targets for the production of surface layers of Cr-Si.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der ökonomisch günstigen Herstellung von handhabbaren kompakten Formkörpern hoher Homogenität aus Pulvermischungen, bei denen die Einzelkomponenten in ihren chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften extreme Unterschiede aufweisen.The object of the invention consists in the economically favorable production of compact, compact, high homogeneity powders of powder mixtures in which the individual components have extreme differences in their chemical and / or physical properties.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von kompakten, riß- und verzugsfreien Formkörpern aus solchen Pulvermischungen anzugeben, die durch konventionelle pulvermetallurgische Verfahrensschritte nicht oder nur mit großem Aufwand verarbeitbar sind, wobei lange Sinterzeiten zu vermeiden sind. Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst nach herkömmlichen, auf die zu verarbeitenden Pulver abgestimmten technologischen Verfahrensparametern wie Zerkleinern, Klassifizieren, Mischen, Granulieren, Pressen, Trocknen, Austreiben von in der Regel organischen Substanzen durch Wärmebehandlung ein Grünling hergestellt wird, wobei erfindungsgemäß Pulver mit Korngrößen < 2 pm mit a 300 MPa verpreßt werden, das Austreioen von Preßhilfsmittel bei einer Temperatur erfolgt, die mithinreichender Sicherheit jedoch mindestens 10K unter der Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Komponente liegt, und der Grünling durch Laserstrahleinwirkung an der Oberfläche verfestigt wird. Der Grünling hat eine Dichte von ca. 60% der theoretischen Dichte und kann ohne daß Risse oder Verzug entstehen an der gesamten Oberfläche mit einem oszillierend geführten kontinuierlichen Laserstrahl mit oiner Leistung von mindestens 30 Watt oder mit einem gepulsten Laserstrahl mit einer Impulsenergie von ä6mJ und einer Frequenz von > 100Hz durch Ansintern oder Aufschmelzen verfestigt werden. Es ist ebenso möglich, durch die Laserstrahleinwirkung den Grünling gleichzeitig zu verfestigen und als Target abzusputtern.The invention has for its object to provide a powder metallurgical process for the production of compact, crack and distortion-free moldings from such powder mixtures, which can not be processed by conventional powder metallurgical process steps or only with great effort, with long sintering times are to be avoided. According to the invention, this object is achieved in that a green compact is first prepared by conventional heat treatment according to conventional technological process parameters, such as comminuting, classifying, mixing, granulating, pressing, drying, expelling of generally organic substances by conventional conventional methods pressed with grain sizes <2 pm with a 300 MPa, Austreioen of pressing aid at a temperature which is with sufficient certainty, however, at least 10K below the melting temperature of the lowest-melting component, and the green compact is solidified by laser beam action on the surface. The green compact has a density of approx. 60% of the theoretical density and can be produced without cracking or warping on the entire surface with an oscillating continuous laser beam with an output of at least 30 Watt or with a pulsed laser beam with a pulse energy of 6 mA and a Frequency of> 100Hz are solidified by sintering or melting. It is also possible to solidify the green body simultaneously by the action of the laser beam and to sputter it off as a target.

Ausführungsbeispieleembodiments

Nachstehend soll die Erfindung durch zwei Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by two embodiments.

1. Ausführungsbeispiel1st embodiment

Hergestellt werden Formkörper als Rechteck-Targets mit den Abmessungen 200 χ 50 χ 6 mm aus einem Pulvergemisch von 25 Masseanteilen Titan und 75 Masseanteilen Aluminium. Als Ausgangsstoffe werden Titanhydrid mit einem O₂-Gehalt von 0,5 Masseteilen in % eingesetzt und verdüstes Aluminiumpulver mit einem O₂-Gehalt von 0,25 Masseteilen in %. Die Ansatzbereitung erfolgt durch Aufmahlen der entsprechenden Pulveranteile unter Zusatz von Mahlflüssigkeit und Preßhilfsmittel. Nach dem Trocknen und Granulieren wird das homogene Pulvergemisch zu Platten der Abmessungen 200 x 50 x 6 mm mit einem Druck von 300 MPA verpreßt und das Preßhilfsmittel unter Wasserstoff bei 770 K innerhalb von 2 Stunden entfernt. Die danach vorliegenden Grünlinge haben eine Dichte von ca. 65% der theoretischen Dichte und sind bereits so handhabbar, daß sie mit Vorsicht in eine Bestrahlungskammer eingebracht werden können und dort mit einem CO₂-Laser mittlerer Leistung von 200 W bei einem Fokusdurchmesser von 1 mm durch Oszillation des Strahles an der gesamten Oberfläche abgerastert und somit allseitig verfestigt werden. Die Laserbehandlung erfolgt in Stickstoffatmosphäre. Die an der Oberfläche verfestigten, Verzugs- und rißfreien und im Inneren homogenen Targets sind zum Sputtern sehr gut geeignet, es treten keine Störungen durch das vorhandene relativ große Porenvolumen und keine Gasausbrüche auf. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Formkörper herzustellen, die zu großflächigen Targets gebondet in Plasmatron-Sputteranlagen Verwundung finden können.Moldings are produced as rectangular targets with the dimensions 200 χ 50 χ 6 mm from a powder mixture of 25 parts by weight of titanium and 75 parts by weight of aluminum. The starting materials used are titanium hydride with an O ₂ content of 0.5% by weight in% and atomized aluminum powder with an O ₂ content of 0.25% by weight in%. The batch preparation is carried out by milling the corresponding powder fractions with the addition of grinding fluid and pressing assistant. After drying and granulation, the homogeneous powder mixture is pressed into plates of dimensions 200 × 50 × 6 mm with a pressure of 300 MPA and the pressing aid is removed under hydrogen at 770 K within 2 hours. The resulting green compacts have a density of about 65% of the theoretical density and are already so manageable that they can be introduced with care in an irradiation chamber and there with a CO ₂ laser average power of 200 W at a focus diameter of 1 mm scanned by oscillation of the beam on the entire surface and thus solidified on all sides. The laser treatment takes place in a nitrogen atmosphere. The hardened on the surface, distortion and crack-free and homogeneous inside targets are very well suited for sputtering, there is no interference from the existing relatively large pore volume and no gas eruptions. By means of the method according to the invention, it is possible to produce moldings which can be wounded into large-area targets and wounded in plasmatron sputtering equipment.

2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment

Nach der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Technologie werden Grünlinge aus 64 Masseanteilen Titan und 36 Masseanteilen Aluminium zu Scheiben von 75mm Durchmesser und 10mm Dicke mit einem im Mittelpunkt der Scheibe befindlichen Loch hergestellt. Auf eine Katode in einer Bestrahlungskammer werden im Wechsel diese Scheiben mit Scheiben höheren und niede-en Titangehaltes, die juf gleiche Weise hergestellt sind, zusammengesteckt zu einem Walzentarget. Durch Absputtern der als Grünlinge vorliegenden Targets nach dem laser-induzierten Vakuumbogen-Verfahren unter Stickstoffatmosphäre konnten auf Wendeschneidplatten Verschleißschichten wechselnder Zusammensetzung aufgebracht werden, die höheren Verschleißwiderstand aufweisen als eine Schicht einer Zusammensetzung Ti-C-N. Durch den Energieeintrag über den Laserspot erfolgt gleichzeitig die Verfestigung der Targetscheiben an deren Umfang und der homogene Stoffübergang auf die Werkzeugteile. Ein Auslaufen von Aluminium aus dem Taret findet nicht statt.According to the technology described in Embodiment 1, green compacts of 64 mass parts of titanium and 36 mass parts of aluminum are made into disks of 75 mm in diameter and 10 mm in thickness with a hole in the center of the disk. On a cathode in an irradiation chamber, these discs with discs higher and lower-titanium content, which are made juf same way, put together in turn to a roller target. By sputtering off the targets present as green compacts by the laser-induced vacuum arc process under nitrogen atmosphere wear layers of varying composition could be applied to indexable inserts, which have higher wear resistance than a layer of a composition Ti-C-N. Due to the energy input via the laser spot, the solidification of the target disks takes place at the periphery and the homogeneous mass transfer to the tool parts. There is no leakage of aluminum from the tarot.

Claims

1. A process for the preparation of compact moldings of powder mixtures with extremely different chemical and / or physical properties of the individual components by first a known green powder metallurgical technology is presented, characterized in that powders are used with grain sizes <2 μηι, the pressing pressure 300 MPa Pressurization is carried out at a temperature which is at least 10K below the melting temperature of the lowest-melting powder component and the green compact having a density of at least 60% of the theoretical density is solidified by laser radiation at the surface.

2. The method according to claim 1, characterized in that the entire surface is scanned by oscillation of the beam.

3. The method according to claim 1, characterized in that the action takes place with a continuous laser beam of a power of at least 30 W.

4. The method according to claim 1, characterized in that a pulsed laser beam with a pulse energy of> 6mJ is used with a frequency of> 100 Hz,

5. The method according to claim 1 and 2 and one of claims 3 and 4, characterized in that solidified by laser beam action of the green compact and abyesputtert simultaneously.