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钽(Ta)是一种典型的过渡族难熔金属,为体心立方晶体结构,具有较高的熔点、密度、抗腐蚀性及优异的延展能力。由于其独特的物理化学性质,钽及其合金被广泛应用于电子、军工、航空航天及医疗器械等领域。高纯钽可以作为集成电路中铜金属与硅基板的理想阻挡层材料,以防止铜和硅相互扩散形成的化合物影响集成电路性能。作为制备钽阻挡层薄膜的源材料,钽靶材需具有较为细小的晶粒和均匀的晶粒取向。钽靶材微观组织的有效控制目前仍是其工业生产中的一项重要课题。传统的单向轧制变形易在材料中形成应力集中,造成材料的不均匀变形,进而使得材料退火过程中形成较强的再结晶织构。通过改变材料变形过程中的应变路径,可以一定程度的调控变形行为,提高材料的微观组织均匀性。基于此,还需深入地对钽金属在变形及退火过程中的相关机制进行系统研究,以期改进生产和加工工艺。
本研究以高纯钽为研究对象,利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)、背散射电子衍射技术(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)、X射线衍射技术(X-ray Diffraction,XRD)及透射电子显微技术(Transmission Electron Microscopy,TEM)等,对不同应变路径下材料的变形、回复及再结晶的微观组织进行了表征和分析,主要结论如下:
①单向轧制(单轧)和周向轧制(周轧)样品在近表层均形成了以γ纤维和θ纤维织构为主的宏观织构,但不同取向晶粒内的微观组织出现较大差别。单轧样品{111}(<111>//ND,Normal Direction)取向晶粒中出现了大量微带和微剪切带,这与其在变形过程中开动单系滑移的变形机制有关。单轧样品中的{100}(<100>//ND)取向晶粒和周轧样品中的{111}和{100}取向晶粒中均出现明显的取向梯度,这与多系滑移变形机制有关。基于施密特因子(Schmid Factor,SF)及由此衍生的施密特因子差比值(Schmid Factor Difference Ratio,SFDR)的计算,进一步佐证了两种滑移机制的存在。此外,单轧样品中的变形储存能具有明显的取向相关性,而周轧在一定程度上减弱了这种取向相关性,缩小了两类取向晶粒的储存能差别。
②应变路径的变化,使样品厚度方向的能量分布均匀化,能量梯度变小。同一层中,应变路径的改变削弱了{111}取向晶粒内微带及微剪切带的形成趋势,使{111}和{100}取向晶粒的储存能差异减小,储存能分布得到均匀化。单轧样品沿厚度方向的γ和θ纤维织构组分波动较大,而周轧样品中的织构波动较小,尤其是θ纤维织构,沿厚度方向的分布较为均匀。
③不同应变路径下,γ-γ取向晶粒的晶界附近硬度值均为最大,θ-θ晶界附近的硬度值均为最小。通过对不同类型晶界的几何必须位错密度的计算发现,单轧样品中,γ-γ类型晶界的密度值为14.854×1014m-2,接近θ-θ类型晶界的3倍。周向轧制中,该倍数被减弱为1.94。另外,γ-γ类型晶界两侧均开动单系滑移且滑移系相近时,微剪切带便可穿过晶界至相邻的{111}取向晶粒中,而{100}取向晶粒因开动多系滑移,其内部出现较为明显的取向梯度。
④单轧样品总体上比周轧样品更快发生再结晶。单轧样品主要在{111}取向基体中通过大角度晶界迁移机制形核,新晶粒尺寸较大且多为{111}取向。周轧样品主要在交互区形核,由亚晶形核机制主导形核过程。新晶粒尺寸细小,晶粒取向与周围变形基体中畸变程度较高的点的取向相近。
⑤改变回复程度可以调控不同再结晶机制在退火过程中所占权重,进而调控再结晶组织。预回复改变了晶粒内部的位错形态,使亚晶通过倾转、合并和粗化等形成较大的亚晶,且这些大亚晶多为等轴状。长时间预回复后高温退火可以均匀化样品宏观织构,并在此基础上使得晶粒细化、等轴化,是较为有效的热处理工艺。
本研究以高纯钽为研究对象,利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)、背散射电子衍射技术(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)、X射线衍射技术(X-ray Diffraction,XRD)及透射电子显微技术(Transmission Electron Microscopy,TEM)等,对不同应变路径下材料的变形、回复及再结晶的微观组织进行了表征和分析,主要结论如下:
①单向轧制(单轧)和周向轧制(周轧)样品在近表层均形成了以γ纤维和θ纤维织构为主的宏观织构,但不同取向晶粒内的微观组织出现较大差别。单轧样品{111}(<111>//ND,Normal Direction)取向晶粒中出现了大量微带和微剪切带,这与其在变形过程中开动单系滑移的变形机制有关。单轧样品中的{100}(<100>//ND)取向晶粒和周轧样品中的{111}和{100}取向晶粒中均出现明显的取向梯度,这与多系滑移变形机制有关。基于施密特因子(Schmid Factor,SF)及由此衍生的施密特因子差比值(Schmid Factor Difference Ratio,SFDR)的计算,进一步佐证了两种滑移机制的存在。此外,单轧样品中的变形储存能具有明显的取向相关性,而周轧在一定程度上减弱了这种取向相关性,缩小了两类取向晶粒的储存能差别。
②应变路径的变化,使样品厚度方向的能量分布均匀化,能量梯度变小。同一层中,应变路径的改变削弱了{111}取向晶粒内微带及微剪切带的形成趋势,使{111}和{100}取向晶粒的储存能差异减小,储存能分布得到均匀化。单轧样品沿厚度方向的γ和θ纤维织构组分波动较大,而周轧样品中的织构波动较小,尤其是θ纤维织构,沿厚度方向的分布较为均匀。
③不同应变路径下,γ-γ取向晶粒的晶界附近硬度值均为最大,θ-θ晶界附近的硬度值均为最小。通过对不同类型晶界的几何必须位错密度的计算发现,单轧样品中,γ-γ类型晶界的密度值为14.854×1014m-2,接近θ-θ类型晶界的3倍。周向轧制中,该倍数被减弱为1.94。另外,γ-γ类型晶界两侧均开动单系滑移且滑移系相近时,微剪切带便可穿过晶界至相邻的{111}取向晶粒中,而{100}取向晶粒因开动多系滑移,其内部出现较为明显的取向梯度。
④单轧样品总体上比周轧样品更快发生再结晶。单轧样品主要在{111}取向基体中通过大角度晶界迁移机制形核,新晶粒尺寸较大且多为{111}取向。周轧样品主要在交互区形核,由亚晶形核机制主导形核过程。新晶粒尺寸细小,晶粒取向与周围变形基体中畸变程度较高的点的取向相近。
⑤改变回复程度可以调控不同再结晶机制在退火过程中所占权重,进而调控再结晶组织。预回复改变了晶粒内部的位错形态,使亚晶通过倾转、合并和粗化等形成较大的亚晶,且这些大亚晶多为等轴状。长时间预回复后高温退火可以均匀化样品宏观织构,并在此基础上使得晶粒细化、等轴化,是较为有效的热处理工艺。