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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:朱桓成
研究生(外文):H.C.Chu
論文名稱:常用靶材之熱機加工特性研究
論文名稱(外文):Studies of the thermo-mechanical characteristic of commonly-used target materials
指導教授:周長彬周長彬引用關係
指導教授(外文):C.P.Chou
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:織構靶材純鎳X光繞射分析熱機加工模擬試驗金相實驗製程圖
外文關鍵詞:texturetargetpure nickelXRDthermo-mechanical simulation testOMProcessing map
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鎳有優異的高溫強度、耐腐蝕性,磁特性和全面的耐久性故在世上受到廣泛的應用。在今日,鎳的主要用途是作為提供強化與保護3000多種金屬,包含銅、不鏽鋼、白金等的媒介。
本論文將藉由Gleeble熱加工機對鎳靶材及其他多種常用靶材做不同條件的熱加工處理後,進行應力應變的分析及金相組織觀察,能找到最有效率的熱加工製程條件,進而提高濺鍍靶材的使用率。實驗項目包括:壓縮試驗、應力應變分析和加工性測試、金相組織觀察、X光繞射分析。同時並研究這些材料適合作為靶材的最佳製程條件(包含均勻度和晶粒大小)。
在鎳材的部分,實驗結果顯示:(1)鍛造的成形應力在各個溫度幾乎都呈現應力軟化或達到穩態的現象,且有動態再結晶的現象發生。尤以低溫高應變率時最為明顯,隨著應變率減低和溫度升高,動態再結晶現象的曲線趨於平滑不明顯。(2)應變率和溫度對<111>晶向強度的影響並無較一致性的規律。(3)在1050℃,各個晶向強度和不同應變率的關係圖(圖5-58)中,壓縮量對織構強度微微呈現線性的關係。(4)在應變率5s-1下以及在應變率0.5 s-1下1150℃和應變率0.05 s-1下1050℃時,<111>晶向所呈現的強度相對較弱。是在製造靶材時可以考慮的製程條件。
在其他材料的部分,實驗結果顯示:(1)AlCu經過450℃退火的均質化處理的晶粒大小,隨著退火時間的增加而更均勻一致,是適合作為靶材的優良製程條件。(2)AlSi經過450℃退火的均質化處理的晶粒大小,隨著退火時間的增加而更均勻一致,是適合作為靶材的優良製程條件。(3)NiCr(56-44)和NiCrSi(47.5-47.5-5)和NiCrSiAl(50-44-4-2)由於晶粒仍舊較大,且在邊界上有再結晶的晶粒發生,故尚無合適的製程條件。(4) Ti壓縮量越大是越適合的製程條件。

Nickel is a versatile material in the industrial world owing to its excellent strength at high temperature, strong resistance to corrosion, excellent magnetic and tensile properties. Today, Nickel is used to strengthen many metals that include copper, stainless steel, platinum, etc.
The Gleeble machine was used to study the thermal mechanical properties of Nickel and other target materials. After hotworking, the stain-stress relation and metallographic observation were analyzed . The experiments include: Compression testing, OM, X-Ray diffraction analysis, metallurgical observation. The manufacturing process diagram was also developed and constructed for the Nickel target.
The experimental results for the Ni target show that:
(1) The forming stress, during forging at different thermal gradients, can reach a state of strain softening, stabilizing or even dynamic recrystallization (DRX). The softening strain is especially evident at higher temperatures. Therefore, with the reduction of the softening strain and the increase in temperature, the DRX graph is approach to a stable curve.
(2) The effect of strain and temperature on the strength of the <111> orientation of the crystal does not follow any predefined rule.
(3) At 1050℃, the relationship between the strength and the degree of compression is roughly linear.
(4) At a strain of below 5s-1, 0.5 s-1 (1150℃) and 0.5 s-1 (1050℃), the strength in the <111> orientation are much weak and these are useful information in the production of Ni targets.
The experimental results for the other target materials are as follows:
(1)After annealing at 450℃, the grain size of AlCu and AlSi crystals become more uniform with the increase of annealing time. This is an useful information in the processing of these target materials.
(2)The crystals of NiCr(56-44), NiCrSi(47.5-47.5-5) and NiCrSiAl(50-44-4-2) are still bigger and no boundary recrystallization occurred, therefore there is no suitable process condition for these target materials.
(3) Heavy compression is suitable for manufacturing of Ti target

目錄
中文摘要………………………………..………...………………………………..Ⅰ
英文摘要………………………………..………...………………………………..Ⅱ
目錄………………………………..………...……………………………………..Ⅳ
表目錄……..…...……………………………….…………………...…………….Ⅶ
圖目錄……..…...……………………………….…………………...…………….Ⅷ
一、 前言…………………………………………………………………………1
二、 研究動機………….………………………………………………………..2
三、 文獻回顧…………………………………………………………………...3
3.1 濺鍍的原理………………………………………………………….3
3.1.1 基本原理………………………….……………………………...3
3.1.2 磁控直流濺鍍法………………….……………………………..6
3.1.3 濺鍍的缺點及改良…………….………………………………..8
3.1.4 導磁率與濺鍍的關係…………..……………………………….9
3.2 靶材鎳的機械性質與特性……………………………………….10
3.3 鎳的微觀結構……………………………………………………..11
3.4 熱加工對鎳的影響………………………………………………..13
3.4.1 溫度對鎳合金變形特性的影響………….…………………..13
3.4.2 應變對鎳合金變形特性的影響……………….……………..15
3.5 製程圖(Processing Map)簡介………………….………………...18
3.5.1 製程圖理論………………………………….…………………18
3.6.2 熱變形機構(Hot Deformation Mechanisms)………….……22
3.6 熱加工模擬試驗機(Gleeble)簡介……………………………….24
3.6.1 熱加工模擬試驗機基本原理………………………………..24
3.6.2 Gleeble的功能………………………………………………..25
3.7 X光繞射儀簡介…………………………………………………..29
3.7.1 X光繞射儀基本原理…………………………………………29
3.7.2 X光繞射分析方法……………………………………………37
3.8 濺鍍儀器簡介……………………………………………………..43
3.9 其他靶材的簡介…………………………………………………..44
3.9.1 AlCu(96-4)的簡介……………………………………………44
3.9.2 AlSi(99.5-0.5)的簡介………………………………………..44
3.9.3 NiCr(56-44)、NiCrSi(47.5-47.5-5)、NiCrSiAl(50-44-4-2).的簡介……………..……………………………..……………45
3.9.4 Ti的簡介………………………………………………………45
四、 研究內容及方法………………………………………………………….47
4.1 實驗材料與設備…………………..………………………………47
4.2 實驗方法…………………………………………………………...50
4.2.1 壓縮試驗……………………………………………………….53
4.2.2 應力應變分析和加工性測試………………………………..53
4.2.3 金相組織觀察…………………………………………………53
4.2.4 X光繞射分析………………………………………………….52
4.2.5 磁性分析……………………………………………………….52
4.2.6 其他材料應力應變圖和金相整理…………………………..52
五、 結果與討論………….……………………………………………………54
5.1 鎳材料壓縮試驗結果……………………………………………..54
5.1.1 變形行為…………...…………………………………………54
5.1.2 不穩定圖………………………………………………………60
5.1.3 金相組織的觀察……………………………...………..…….62
5.1.4 XRD結果…………………………... …….……………..…..67
5.2 其他材料壓縮試驗結果……………………..………….…………80
5.2.1 變形行為………………………………………………….……80
5.2.2 金相組織的觀察………………………………………..…….85
六、 結論………………………………………………………………………98
參考文獻……………………………..……………………..…………………100
表目錄
3-1 半導體(或微電子)相關產業中常使用之濺鍍靶材……………………1
3-2 鎳合金的化學成分表…………………………………………………....11
3-3 不同試樣在不同溫度下持溫一個小時的晶粒大小比較……………13
3-4 晶粒大小為80-100μm的純鎳其應變量與微結構參數的平均值相關表……..………………………………………………….……………...16
3-5 Gleeble 1500熱加工模擬儀的功能與特性圖………..……………....27
3-6 Gleeble 2000熱加工模擬機的功能與特性……………………..…….28
3-7 常用金屬靶之特性輻射表…………………..………………………….30
3-9 常用X光靶材與濾膜一覽表…………………………...………………33
3-10 七種晶係和布拉法斯晶格一覽表……………………………………..36
3-11 晶格平面標定範例…………………………………………………...….37
3-12 常用繞射分析方法一覽表……………………………………………...38
圖目錄
3-1 顯示一個電漿產生器的基本結構,以及離子濺擊的效應………3
3-2 顯示合金金屬靶的濺鍍,不同S值的金屬原子的濺擊流量,會隨著時間消長而穩定的情形………………………………………..5
3-3 顯示一個由兩種不同金屬所組成的金屬靶,當濺擊達穩定狀態,金屬靶內部、表面及被擊出原子的含量比例情形…………..6
3-4 顯示電子在磁場的作用下,因為電磁力的干預,使得電子改以螺旋狀進行運動的情形……………….…..………………………..7
3-5 顯示磁控DC濺鍍機的結構…………….……………………..……8
3-6(a) 顯示薄膜以濺鍍進行沈積時,其階梯覆蓋能力不佳的情形…………………………………………………………………….…9
3-6(b) 準直管改善階梯覆蓋能力…………………………………………..9
3-7(a) 未經過熱處理的一般靶材…………………………………………..9
3-7(b) 經過熱處理,深色部分之導磁率較低……………………………..9
3-8(a) Nickel 200冷拉且在829℃連續退火……………………………..11
3-8(b) (a)的高倍數放大…………………………………………………….11
3-8(c) Nickel 270熱壓在829℃連續退火………………………………..12
3-8(d) (c)的高倍數放大……………………………………………………12
3-8(e) Permanckel 300在1204℃溶解退火一個小時後淬火接著482℃時效10個小時後淬火………………………………………………12
3-8(f) Duranickel 301在982℃溶解退伙伴個小時後淬火接著482℃時效20個小時淬火…………………………..……………………….12
3-9 溫度和晶粒大小關係圖….……………………………….………. 13
3-10 典型的純鎳TEM照片………………………………………………13
3-11(a) Ni-0C經過退火300℃持溫一個小時的SEM照片…….……….13
3-11(b) Ni-500C經過退火300℃持溫一個小時的SEM照片.………….13
3-11(c) Ni-1000C經過退火300℃持溫一個小時的SEM照片…………13
3-12(a) Ni-0C退火500℃持溫一個小時的SEM照片..…………………14
3-12(b) (a)小晶區的放大照片………………………………………………14
3-13(a) Ni-0C在500℃退火表面SEM圖…………….…………..……….14
3-13(b) 為(a)較大晶粒的高倍數放大圖…………………………..……...14
3-13(c) 為(a)較小晶粒的高倍數放大圖………..…………………………14
3-14a~c 鎳的機械性質和溫度的關係….………………………….……….15
3-15a~c 鎳合金經過冷壓的差排為結構之TEM照片………..………….16
3-16a~c 各個不同冷壓應變量在微結構內其不同微結構係數的平均分佈圖..………………………………..………………………………..17
3-17 製程系統示意圖…………………………………………………….21
3-18 應力應變率圖………….…………………………………..………..21
3-19 能量消耗圖…………..………………………………..…………….21
3-20 不穩定性圖………………………………………………….……….22
3-21 製程圖………………………………………………………………..22
3-22 加工模擬儀的系統示意圖…………………………………………25
3-23 圓柱壓縮試片尺寸……………………………………………..…..27
3-24 Gleeble 2000的應變與應變速率獨立控制示意圖…………..…28
3-25 (a) 原子中的電子能階和個能階電子激發的示意圖………….30
3-25 (b) 電子激發和放射的特性輻射關係圖………………………...30
3-26 鉬靶在不同的加速電壓下,所激發的X光光譜……………....30
3-27 x光體吸收係數隨波長變化關係示意圖……………………..….31
3-28 X光管剖面示意圖………………………………………. ………...32
3-29a~b X光光譜經過濾膜過濾前後示意圖……………………………..33
3-30(a) 二度空間結晶原子模型……………………………………..…….33
3-30(b) 二度空間結晶原子晶格示意圖………………………………..…33
3-31 晶格中晶胞的示意圖……………………………………………….34
3-32 布拉法斯晶格…………………………………………………...…..35
3-33 X光繞射示意圖……………………………………………………..37
3-34 第白謝勒攝影中2θ角與繞射線間距離關係. ………. ………..40
3-35 第白謝勒底片中繞射線之解析說明圖……..…………………...40
3-36 D-500繞射儀的實體照片……………………………….. ……….39
3-37 鐵粉的繞射圖…………………………………………………….....40
3-38 平面試片因X光發散產生誤差…………………………………...41
3-39 三種不同光柵組合所得到的鐵(110)繞射峰…………………....41
3-40(a) 相同掃瞄速率下,入射X光光子數較低…………… …………..42
3-40(b) 使用相同光柵,分別在0.02°/S和0.002°/S下掃瞄的結果……………………………………….……………………………..42
3-41 DC濺鍍機的基本構造圖....……..………………..……………....43
4-1 純鎳的金相照片...………..…………………………….. ………...47
4-2 點焊機……………………………………………………………..…47
4-3 Gleeble 2000………………………………………………. ……….48
4-4 夾頭部分…………..………………………………….……………..48
4-5 西門子D5000X光繞射儀………………….……………………...49
4-6 熱電偶的銲點位置…………………………………………....……51
5-1 應變率為5S-1,溫度為900~1150℃,壓縮量為0.6cm的應力應變曲線圖……………………………………………………………..55
5-2 應變率為0.5S-1,溫度為900~1150℃,壓縮量為0.6cm的應力應變曲線圖……………………………….………………………….55
5-3 應變率為0.05S-1,溫度為900~1150℃,壓縮量為0.6cm的應力應變曲線圖………………………………….……..…….……….56
5-4 溫度為900℃,壓縮量為0.6cm下各個應變率的應力應變曲線關係圖……………………………..…………………………………56
5-5 溫度為950℃,壓縮量為0.6cm下各個應變率的應力應變曲線關係圖…………………………….……….…………………………57
5-6 溫度為1000℃,壓縮量為0.6cm下各個應變率的應力應變曲線關係圖…………………………………………. ……………………57
5-7 溫度為1050℃,壓縮量為0.6cm下各個應變率的應力應變曲線關係圖…………………………………………. ………………..….58
5-8 溫度為1100℃,壓縮量為0.6cm下各個應變率的應力應變曲線關係圖…………………………………………. ………………..….58
5-9 溫度為1150℃,壓縮量為0.6cm下各個應變率的應力應變曲線關係圖………………………………………..………………………59
5-10 應變率為5S-1,溫度為1050℃,壓縮量分別為0.2、0.3和0.6cm的應力應變曲線圖……………………………………..……….….59
5-11 鎳材在壓縮量=0.6cm的能量消耗圖…………………………….60
5-12 鎳材在壓縮量=0.6cm的不穩定性圖…………...………….…….60
5-13 應變率5溫度900℃的顯微組織圖…………………………..…..63
5-14 應變率5溫度950℃的顯微組織圖………………………….…...63
5-15 應變率5溫度1000℃的顯微組織圖……………………….…….63
5-16 應變率5溫度1050℃的顯微組織圖……………………….…….63
5-17 應變率5溫度1100℃的顯微組織圖…………………………..….63
5-18 應變率5溫度1150℃的顯微組織圖……………………………..63
5-19 應變率0.5溫度900℃的顯微組織圖…………………... ………64
5-20 應變率0.5溫度950℃的顯微組織圖………………….. ……….64
5-21 應變率0.5溫度1000℃的顯微組織圖………………………..….64
5-22 應變率0.5溫度1050℃的顯微組織圖……………………….…..64
5-23 應變率0.5溫度1100℃的顯微組織圖………………………..….64
5-24 應變率0.5溫度1150℃的顯微組織圖……………………….…..64
5-25 應變率0.05溫度900℃的顯微組織圖……………………..…….65
5-26 應變率0.05溫度950℃的顯微組織圖………………………..….65
5-27 應變率0.05溫度1000℃的顯微組織圖……………………...…..65
5-28 應變率0.05溫度1050℃的顯微組織圖………………..…..…….65
5-29 應變率0.05溫度1100℃的顯微組織圖……………………..…...65
5-30 應變率0.05溫度1150℃的顯微組織圖………………..…..…....65
5-31 應變率為5在1050℃下0.2cm的顯微組織圖…………..………66
5-32 應變率為5在1050℃下0.3cm的顯微組織圖……………….....66
5-33 應變率為5在1050℃下0.6cm的顯微組織圖………………..…66
5-34 鎳材的原始X光強度繞射圖………………………………..…….68
5-35 應變率5溫度900℃的XRD圖……………………………….…..68
5-36 應變率5溫度950℃的XRD圖…………………………………...69
5-37 應變率5溫度1000℃的XRD圖………………………………..…69
5-38 應變率5溫度1050℃的XRD圖……………………………….…70
5-39 應變率5溫度1100℃的XRD圖……………………………….…70
5-40 應變率5溫度1150℃的XRD圖……………………………….…71
5-41 應變率0.5溫度900℃的XRD圖………………………..………..71
5-42 應變率0.5溫度950℃的XRD圖…………………………….…..72
5-43 應變率0.5溫度1000℃的XRD圖……………………………..…72
5-44 應變率0.5溫度1050℃的XRD圖……………………………..…73
5-45 應變率0.5溫度1100℃的XRD圖………………………………..73
5-46 應變率0.5溫度1150℃的XRD圖………………………..……….74
5-47 應變率0.05溫度900℃的XRD圖……………………………..…74
5-48 應變率0.05溫度950℃的XRD圖……………………………..…75
5-49 應變率0.05溫度1000℃的XRD圖……………………………....75
5-50 應變率0.05溫度1050℃的XRD圖……………………..………..76
5-52 應變率0.05溫度1150℃的XRD圖……………………………...76
5-53 應變率5溫度1050℃下,壓縮量0.2cm的XRD圖…………..….77
5-54 應變率5溫度1050℃下,壓縮量0.3cm的XRD圖…………….77
5-55 不同應變率對不同溫度下的<111>織構強度圖……………..…78
5-56 不同應變率對不同溫度下的<200>織構強度圖……………..…78
5-57 不同應變率對不同溫度下的<311>織構強度圖……………..…79
5-58 在1050℃下,各個織構強度和不同應變率的關係圖…..……..79
5-59 應變率為5S-1,溫度為常溫~500℃,壓縮量為75%的應力應變曲線圖………………………………………………………………..82
5-60 應變率為5S-1,溫度為常溫至595℃,壓縮量為75%的應力應變曲線圖……………………………………………………………..82
5-61 應變率為5S-1,溫度為850~1150℃,壓縮量為0.75cm的應力應變曲線圖………………………………………. …………..…….83
5-62 應變率為5S-1,溫度為950~1150℃,壓縮量為0.75cm的應力應變曲線圖…………………………………………………………..83
5-63 應變率為5S-1,溫度為950~1150℃,壓縮量為0.75cm的應力應變曲線圖…………………………………………………………..84
5-64 應變率為5S-1,溫度為800和850℃,壓縮量分別為5和10cm的應力應變曲線圖…………………………….……………………84
5-65 應變率5 溫度21℃的AlCu顯微組織圖………………….….…87
5-66 應變率5溫度190℃的AlCu顯微組織圖………………….……87
5-67 應變率5溫度300℃的AlCu顯微組織圖………………….……87
5-68 應變率5溫度350℃的AlCu顯微組織圖………………….……87
5-69 應變率5溫度400℃的AlCu顯微組織圖………………….……87
5-70 應變率5溫度450℃的AlCu顯微組織圖………………….……87
5-71 應變率5溫度450℃的AlCu顯微組織圖……………….………88
5-72 試件在21℃壓縮經過1小時在450℃退火的均質化處理中央位置的AlCu顯微組織圖…………………………..…………….…..89
5-73 試件在21℃壓縮經過1小時10分在450℃退火的均質化處理中央位置的AlCu顯微組織圖……………………………………..89
5-74 試件在21℃壓縮經過1小時30分在450℃退火的均質化處理中央位置的AlCu顯微組織圖……………………………………..89
5-75 AlSi原材料的金相組織…………………………………………....90
5-76 應變率5溫度21℃的AlSi顯微組織圖…………………….……90
5-77(a) 應變率5溫度200℃(50X)的AlSi顯微組織圖………………....90
5-77(b) 應變率5溫度200℃(200X)的AlSi顯微組織圖………………..90
5-78(a) 應變率5溫度300℃(50X)的AlSi顯微組織圖………………….90
5-78(b) 應變率5溫度300℃(500X)的AlSi顯微組織圖………….…….90
5-79(a) 應變率5溫度400℃(50X)的AlSi顯微組織圖…………………91
5-79(b) 應變率5溫度400℃(500X)的AlSi顯微組織圖…………….….91
5-80 應變率5溫度450℃的AlSi顯微組織圖…………………….….91
5-81 應變率5溫度500℃的AlSi顯微組織圖…………………………91
5-82 應變率5溫度550℃的AlSi顯微組織圖…………………………91
5-83 應變率5溫度575℃,空冷 的AlSi顯微組織圖……………….92
5-84 應變率5溫度575℃,水冷的AlSi顯微組織圖………………..92
5-85 應變率5溫度595℃,空冷 的AlSi顯微組織圖……………....92
5-86 應變率5溫度595℃,水冷的AlSi顯微組織圖………………..92
5-87 試件在21℃壓縮經過1小時在450℃退火的均質化處理中央位置的顯微組織的AlSi顯微組織圖……………..………..……….93
5-88 試件在21℃壓縮經過1小時10分在450℃退火的均質 化處理中央位置的顯微組織的AlSi顯微組織圖………………..……..93
5-89 試件在21℃壓縮經過1小時30分在450℃退火的均質化處理中央位置的的AlSi顯微組織圖……………………...…………...93
5-90 NiCr(56-44)原材料的金相組織……………………...…………...94
5-91 應變率5溫度950℃的NiCr(56-44)顯微組織圖………………..94
5-92 應變率5溫度1050℃的NiCr(56-44)顯微組織圖………………94
5-93 應變率5溫度1150℃的NiCr(56-44)顯微組織圖………………94
5-94 NiCrSi(47.5-47.5-5)原材料的金相組織………………………....95
5-95 應變率5溫度950℃的NiCrSi(47.5-47.5-5)顯微組織圖……..95
5-96 應變率5溫度1050℃的NiCrSi(47.5-47.5-5)顯微組織圖……95
5-97 應變率5溫度1150℃的NiCrSi(47.5-47.5-5)顯微組織圖……95
5-98 NiCrSiAl(50-44-4-2)原材料的金相組織………………………..96
5-99 應變率5溫度950℃的NiCrSiAl(50-44-4-2)顯微組織圖……96
5-100(a) 應變率5溫度1050℃(50X)的NiCrSiAl(50-44-4-2)顯微組織圖…………………………………………………………………..….96
5-100(b) 應變率5溫度1050℃(1000X)的NiCrSiAl(50-44-4-2)顯微組織圖………………………………………………………………..…....96
5-101(a) 應變率5溫度1050℃(50X) 的NiCrSiAl(50-44-4-2)顯微組織圖………………………………………………………………….…..96
5-101(b) 應變率5溫度1050℃(500X) 的NiCrSiAl(50-44-4-2)顯微組織圖……………………………………………………………………...96
5-102 Ti原材料的金相組織…………………………………………..…..97
5-103 溫度800℃壓縮量33﹪的Ti顯微組織圖……………..…….…..97
5-104 溫度800℃壓縮量67﹪的Ti顯微組織圖……………..…….…..97
5-105 溫度850℃壓縮量33﹪的Ti顯微組織圖……………..…….…..97
5-106 溫度850℃壓縮量67﹪的Ti顯微組織圖…………………….….97

參考文獻
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