鉭材在真空蒸鍍?cè)O(shè)備中的應(yīng)用

程靜靜，段彪王，李 寧

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，西安 710201）

真空蒸鍍（vacuum evaporation），簡(jiǎn)稱蒸鍍，是指在真空條件下，用蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)待蒸發(fā)物質(zhì)，并使之氣化，氣化后粒子飛至基片表面凝聚成膜的工藝方法。蒸鍍是使用較早、用途較廣泛的氣相沉積技術(shù)，具有成膜方法簡(jiǎn)單、薄膜純度和致密性高、膜結(jié)構(gòu)及性能獨(dú)特等優(yōu)點(diǎn)。

2018年《科技日?qǐng)?bào)》報(bào)道的35項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)中真空蒸鍍機(jī)位列第5位。真空蒸鍍工藝有多種分類，由于電阻加熱蒸鍍裝置簡(jiǎn)單、操作方便、成本低和鍍膜易控制及模擬，被廣泛應(yīng)用。電阻加熱蒸鍍裝置的主要組成有：真空室、襯底、蒸發(fā)源、蒸發(fā)加熱器。電阻加熱蒸鍍裝置如圖1所示。

圖1 電阻加熱蒸鍍裝置

1 制約我國(guó)真空蒸鍍?cè)O(shè)備發(fā)展的因素

制約我國(guó)真空蒸鍍機(jī)發(fā)展的因素眾多，其中用于制造蒸鍍機(jī)蒸發(fā)源的關(guān)鍵原材料鉭材及鉭材制零部件加工的問題尤為突出。鉭及鉭合金由于其熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性能好和高溫下蒸汽壓低等性能，適合制作真空設(shè)備中的支撐附件、加熱器和隔熱屏等[1]。目前國(guó)內(nèi)從事真空蒸鍍機(jī)用鉭制零部件生產(chǎn)的企業(yè)寥寥無幾，導(dǎo)致真空蒸鍍機(jī)用鉭制零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口，并且國(guó)內(nèi)真空蒸鍍機(jī)用鉭制零部件生產(chǎn)制造存在諸多難點(diǎn)。

1.1 鉭原材

蒸發(fā)溫度1 000~2 000℃的材料常采用電阻加熱作蒸發(fā)源。一般要求蒸發(fā)源材料的熔點(diǎn)比蒸發(fā)工作溫度高1 000℃左右，平衡蒸汽壓低，高溫冷卻后脆性小，并且在真空環(huán)境中均有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。故鉭材是真空蒸鍍蒸發(fā)源常見制作材料。

鉭是略帶藍(lán)色的淺灰色金屬，密度大（16.5×103kg/m3）、熔點(diǎn)高（2 996℃）、線膨脹系數(shù)?。?～100℃之間為6.5×10-6K-1），富有延展性，韌性比銅更好，冷加工可拉成細(xì)絲或制成薄箔。鉭在300K時(shí)的熱導(dǎo)率為52.1W·（m·K）-1，室溫下彈性模量為192×103MPa[2]。國(guó)內(nèi)常見純鉭化學(xué)成分見表1[3]。

表1 國(guó)內(nèi)常見純鉭化學(xué)成分

表1中Ta1的鉭含量大于90.35%；Ta2的鉭含量為大于79.50%。然而普通真空蒸鍍用鉭材要求鉭材純度大于99.95%，在高端OLED蒸鍍機(jī)用鉭零件甚至要求鉭材純度大于99.99%。顯然采用現(xiàn)有牌號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)，無法達(dá)到真空蒸鍍用鉭材的基本要求，高純度鉭材的生產(chǎn)已經(jīng)成為制約真空蒸鍍機(jī)用鉭制零部件國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵因素。

鉭材內(nèi)其他金屬元素的熔點(diǎn)低（如Fe、Ni等）或平衡蒸汽壓高（如W）或穩(wěn)定性低（Ti），低純度鉭材在高溫蒸發(fā)時(shí)，其他金屬元素則有可能分解蒸發(fā)或與蒸鍍室內(nèi)的其他分子進(jìn)行反應(yīng)，造成薄膜成分偏離蒸發(fā)物材料成分。所以采用高純度鉭材零件進(jìn)行真空蒸鍍可以顯著減少蒸發(fā)源材料對(duì)鍍膜的污染。

一般要求蒸鍍材料的蒸發(fā)溫度小于蒸發(fā)源材料在蒸汽壓1.33×10-6Pa時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。常見金屬熔點(diǎn)和對(duì)應(yīng)平衡蒸汽壓溫度見表2[4]。

表2 常見金屬熔點(diǎn)和對(duì)應(yīng)平衡蒸汽壓溫度

1.2 鉭材零件的加工難點(diǎn)

蒸發(fā)源的形狀各異，常見簡(jiǎn)單的蒸發(fā)源形狀有螺旋線狀、錐形籃狀、筒狀、舟狀和箱狀等。常見的蒸發(fā)源形狀如圖2所示。

圖2 常見蒸發(fā)源形狀

螺旋線狀及錐形籃狀蒸發(fā)源均為柱形蒸發(fā)源，常見的線徑為0.5~2 mm。箱狀、舟狀和筒狀蒸發(fā)源均為平面蒸發(fā)源，通常采用鉭箔制成，鉭箔厚度0.05~0.15 mm。隨著對(duì)蒸發(fā)源形狀的深入研究，目前也研發(fā)出了一些形狀比較復(fù)雜的蒸發(fā)源，如圖3所示。

圖3 復(fù)雜形狀蒸發(fā)源

復(fù)雜形狀的鉭蒸發(fā)源成形也是鉭蒸發(fā)源制造過程中的難點(diǎn)之一。鉭蒸發(fā)源在成形過程中經(jīng)常會(huì)由于模具設(shè)計(jì)不合理而出現(xiàn)各種各樣的成形缺陷，如減薄、起皺和撕裂等問題，且各部位的位置精度、形狀精度難于控制。對(duì)于鉭蒸發(fā)源的成形零件如本文中的Tolansky形蒸發(fā)源、Jacques形蒸發(fā)源等，其變形過程極其復(fù)雜，根據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和公式很難預(yù)測(cè)成形缺陷，按照傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)出來的模具也很難滿足實(shí)際產(chǎn)品的質(zhì)量要求，特別是對(duì)于成形質(zhì)量要求很高的復(fù)雜件更是如此。3D打印技術(shù)可以解決復(fù)雜鉭蒸發(fā)源成形中的各種問題，然而國(guó)內(nèi)鉭材的3D打印技術(shù)，在鉭材純度和力學(xué)性能指標(biāo)等方面遠(yuǎn)不能達(dá)到蒸發(fā)源的各種要求。

鉭制加熱器表面粗糙度要求極高，通常在0.1 μm以上，過于粗糙的表面不利于加熱器表面的待蒸發(fā)物蒸發(fā)。鉭材常溫下布氏硬度為890 MPa，硬度較軟，鉭制加熱器成品之前要經(jīng)過多個(gè)工藝的周轉(zhuǎn)，所以鉭材蒸發(fā)源在加工時(shí)表面容易出現(xiàn)劃傷、凹坑和壓痕等表面缺陷。鉭材蒸發(fā)源制作完成后需要進(jìn)行表面處理，常見的表面處理有機(jī)械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光等，其中超聲波拋光常用于常規(guī)工具不易到達(dá)的拐角和狹窄的部位，且可達(dá)到無磨削紋理。

鉭材零部件的車削鉆銑加工十分困難，一方面由于切削加工時(shí)熱量的急劇增加，鉭材很容易與空氣中的氧氣、氫氣和碳等發(fā)生反應(yīng)；另一方面，加工時(shí)鉭屑容易與刀具黏結(jié)，造成加工精度的降低。所以在鉭材零部件的機(jī)械加工時(shí)，易選擇高速鋼刀具，刀具慢速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給量小，并應(yīng)選擇冷卻速率高的冷卻液，在精加工時(shí)經(jīng)常使用氟碳化物基的潤(rùn)滑劑[5]。

1.3 鉭材的焊接難點(diǎn)

由于鉭材十分昂貴，蒸發(fā)源的支撐夾持部件及一體成形十分困難的蒸發(fā)源多數(shù)情況下都采用分段成形，再組焊成整體的制造方法。鉭材在高溫下極易氧化，形成固溶體、金屬間化合物，導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度增大而塑性、韌性下降，易出現(xiàn)晶粒粗大，形成氣孔及裂紋，對(duì)焊接造成了極大的困難；鉭的熱導(dǎo)率高，焊接需要的耗能偏大，但是焊接熱輸入偏大時(shí)易引起晶粒粗大；焊接熱輸入偏小時(shí)熔池熔化不良，因此，鉭的焊接必須選擇合適的焊接熱輸入以保證焊縫質(zhì)量[6]。

目前國(guó)際上主要的鉭焊接方法包括鎢極惰性氣體保護(hù)焊、激光焊、電子束焊和爆炸焊等，由于熱影響區(qū)組織調(diào)控的需求，高能量密度的激光焊、電子束焊成為目前主流的焊接方法；鎢極惰性氣體保護(hù)焊由于在高溫階段升溫速度慢、易形成粗大的熱影響區(qū)組織，作為第一代熱源已逐步被替代[7]。由于蒸發(fā)源零件厚度薄，焊接過程容易出現(xiàn)熔化量過大導(dǎo)致變形、焊穿等問題，因此激光焊接是比較適合鉭蒸發(fā)源焊接的方法。

2 結(jié)束語

隨著真空蒸鍍領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，真空蒸鍍的應(yīng)用行業(yè)也越來越多。蒸鍍按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同可以分為：光學(xué)功能鍍膜、電學(xué)功能鍍膜、機(jī)械功能鍍膜和化學(xué)功能鍍膜等裝飾鍍膜等。蒸鍍技術(shù)在光學(xué)功能鍍方面最重要的應(yīng)用就是在生產(chǎn)OLED屏的過程中，要通過真空蒸鍍的工藝將OLED有機(jī)發(fā)光材料精準(zhǔn)、均勻、可控地蒸鍍到玻璃基板上。蒸鍍工藝是OLED屏生產(chǎn)過程中難度最高的環(huán)節(jié)之一。真空蒸鍍機(jī)被譽(yù)為OLED面板制程中的“心臟”，然而目前我國(guó)在高端真空蒸鍍機(jī)制造中沒有什么發(fā)言權(quán)。

核心技術(shù)及核心部件的缺失，阻礙了國(guó)內(nèi)高端領(lǐng)域行業(yè)的健康發(fā)展。在高端領(lǐng)域行業(yè)我國(guó)與歐美國(guó)家仍存在較大差距，希望從事鉭材生產(chǎn)加工的教授、工程師、企業(yè)及高校，從基礎(chǔ)材料生產(chǎn)做起，努力攻克真空蒸鍍機(jī)用鉭材生產(chǎn)及鉭零部件加工的“卡脖子”隱憂，從而助力我國(guó)從“制造大國(guó)”變成“制造強(qiáng)國(guó)”。