Cel tytanowy

Tarcza tytanowa to specjalny materiał stosowany głównie w technologii fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) i rozpylania magnetronowego (Magnetron Sputtering). Wśród nich technologia PVD jest szeroko stosowana w produkcji zaawansowanych powłok, natomiast rozpylanie magnetronowe jest powszechnie stosowane w procesie produkcji układów półprzewodnikowych i komponentów elektronicznych. Tarcze tytanowe wykonane są z czystego tytanu lub stopu tytanu jako głównego składnika i są starannie produkowane. Do jego unikalnych zalet należy wyjątkowo wysoka twardość i gęstość, a także doskonała odporność na korozję, co czyni go stabilnym w różnorodnych środowiskach. Ponadto tarcze tytanowe mają dobrą przewodność cieplną i wysoką czystość, zapewniając doskonałą wydajność w technologii napylania cienkowarstwowego.
Tarcza tytanowa to materiał płytowy z tytanu lub stopu tytanu o wysokiej czystości, wytwarzany w procesie topienia próżniowego i odlewania inwestycyjnego. Jego najbardziej godnymi uwagi właściwościami są wysoka czystość i doskonała gęstość. Gęstość wysokiej jakości tarcz tytanowych może osiągnąć ponad 99,5%, a pierwiastki zanieczyszczające są wyjątkowo niskie, takie jak Fe, Si, O, N, H i inne pierwiastki są mniejsze niż 100 ppm. To sprawia, że ​​właściwości fizyczne i chemiczne tarczy tytanowej znacznie przewyższają właściwości zwykłego, czystego tytanu przemysłowego.
Ponadto cele tytanowe zapewniają doskonałą jednorodność. Podczas procesu przygotowania zastosowano wielokrotne procesy topienia i hartowania, aby skutecznie poprawić jednorodność strukturalną tarczy tytanowej. Powierzchnia docelowa jest gładka i czysta, struktura wewnętrzna gęsta, a ziarna drobne, co zapewnia jednorodność nałożonej warstwy folii. Cele tytanowe charakteryzują się również doskonałą przewodnością cieplną i niewielkimi naprężeniami termicznymi, dzięki czemu są mniej podatne na pękanie i są w stanie wytrzymać procesy rozpylania o dużej mocy lub odparowania łukowego. Ponadto cel tytanowy ma wysoką wytrzymałość mechaniczną, co może skutecznie przedłużyć jego żywotność i zmniejszyć utratę celu, poprawiając w ten sposób jego ogólną wydajność i wartość użytkową.

⑴Rozpylanie magnetronowe:
Przygotowanie powłok optycznych, takich jak powłoki antyrefleksyjne do soczewek okularowych, powłoki antyrefleksyjne do soczewek itp.
Przygotuj zapisy magnetyczne na bazie tytanu do przechowywania danych, takie jak dyski twarde komputera.
Przygotowanie folii przewodzących na bazie tytanu do stosowania jako elektrody w wyświetlaczach LCD.
⑵Rozpylanie laserowe:
Przygotuj utwardzoną powierzchniowo warstwę części mechanicznych, aby poprawić odporność na zużycie.
Przygotowanie powłok powierzchniowych na biomedycznych stopach tytanu w celu poprawy biokompatybilności.
⑶Odparowanie łuku:
Przygotowanie przezroczystej folii przewodzącej na przednią elektrodę ogniwa słonecznego.
Przygotowanie warstw wzmacniających na bazie tytanu z materiałów kompozytowych.
⑷Odparowanie wiązki elektronów:
Przygotowanie elektrody tylnej do rutylowych ogniw słonecznych.
Przygotowanie folii antyrefleksyjnych i pasywacyjnych do urządzeń fotowoltaicznych.
Przygotowanie powłok na amortyzatory samochodowe.
⑸Poszycie jonowe:
Przygotowanie bioaktywnych powłok na implanty ze stopu tytanu w chirurgii stomatologicznej i ortopedycznej w celu poprawy siły wiązania kości z implantami.
Przygotowanie powłok trudnościeralnych i antykorozyjnych na tłoki silników samochodowych.
Przygotuj utwardzoną powierzchniowo warstwę metalowych narzędzi skrawających, aby poprawić wydajność cięcia.
⑹ Powlekanie chemiczne:
Przygotowanie przewodzących warstw wzajemnych do płytek elektronicznych.
Przygotowanie powłoki błyszczącej do elementów dekoracyjnych samochodów.
Przygotowanie powłok o wysokim współczynniku odbicia na elementy optyczne.
⑺Osadzanie warstwy atomowej (ALD):
Przygotowanie warstw bariery dyfuzyjnej dla nowych typów pamięci, takich jak interkonekty miedziane.
Przygotowanie filtrów optycznych do czujników obrazu.
Przygotowanie warstw wierzchnich pod ogniwa słoneczne.
⑻Druk 3D:
Przygotowanie niestandardowych implantów i stentów ze stopu tytanu do użytku medycznego.
Przygotowanie lekkich części konstrukcyjnych dla przemysłu lotniczego.
Przygotowanie metalowych części funkcjonalnych do skomplikowanych kształtów.

⑴Metalurgia
Zasada: Wytapianie łukiem próżniowym i inne technologie służą do wytapiania tytanu o wysokiej czystości, a następnie poddawane są wielokrotnym stapianiu i hartowaniu, walcowaniu na zimno lub kuciu w celu wytworzenia tarcz tytanowych.
Przebieg procesu: wybór materiału → wytapianie → hartowanie i kucie → obróbka skrawaniem → testowanie
Zalety: Tytanowy materiał docelowy ma wysoką gęstość, wysoką czystość i dobrą jednorodność.
Wady: złożony proces, duże zużycie energii i wysoki koszt.
⑵Metoda spiekania proszkowego
Zasada: Proszek tytanowy o wysokiej czystości jest prasowany i formowany, a następnie spiekany i zagęszczany w celu uzyskania tarczy tytanowej.
Przebieg procesu: składniki → tłoczenie → spiekanie → obróbka skrawaniem → testowanie
Zalety: prosty proces i niski koszt.
Wady: Gęstość jest nieco mniejsza, pory są nieco większe, a jednolitość jest nieco gorsza.

⑶Metoda natryskiwania termicznego
Zasada: Technologię natryskiwania termicznego stosuje się do natryskiwania stopionego proszku tytanowego na materiał podstawowy za pomocą przepływu powietrza o dużej prędkości w celu utworzenia tarczy tytanowej.
Przebieg procesu: wybór materiału → natryskiwanie cieplne → obróbka mechaniczna → testowanie
Zalety: Proces jest prosty, jakość można kontrolować, a tarcze tytanowe można przygotowywać na różnych podłożach.
Wady: Jakość powierzchni jest nieco słaba i wymaga późniejszej obróbki mechanicznej.
⑷Druk 3D
Zasada: Używaj źródeł energii, takich jak lasery, do spiekania proszku stopu tytanu warstwa po warstwie oraz bezpośredniego drukowania i kształtowania tarcz tytanowych.
Przebieg procesu: składniki → drukowanie i formowanie 3D → obróbka końcowa
Zalety: Cele o różnych skomplikowanych kształtach można dostosować do potrzeb.
Wady: mniejsza prędkość drukowania i wyższy koszt.
⑸Metoda natrysku wirowego
Zasada: Stosując metodę natryskiwania strumieniowego z elektrodą wirującą, stopiony metaliczny tytan jest rozpylany i osadzany na kolektorze, tworząc tarczę tytanową w kształcie płatka.
Przebieg procesu: wytapianie → formowanie natryskowe rotacyjne → obróbka cieplna → obróbka mechaniczna → testowanie
Zalety: duża prędkość formowania i stosunkowo jednolita jakość.
Wady: Przyczepność jest nieco słaba i wymaga późniejszej obróbki cieplnej.
⑹Metoda łączenia metodą napylania
Zasada: Najpierw na podłoże napyla się warstwę czystego filmu tytanowego, a następnie przygotowuje się tarczę tytanową poprzez spajanie na gorąco w wysokiej temperaturze.
Przebieg procesu: obróbka podłoża → tworzenie powłoki rozpylającej → łączenie w prasie na gorąco → obróbka mechaniczna → kontrola
Zalety: wysoka siła wiązania, ścisłe połączenie materiału docelowego z podłożem.
Wady: złożony proces i długi czas przygotowania.
⑺Metoda implantacji jonów
Zasada: Wstrzyknij plazmę azotu i węgla do matrycy tytanowej o wysokiej czystości, a następnie poddaj ją obróbce cieplnej, aby utworzyć na powierzchni anion tytanu w celu przygotowania tarczy kompozytowej.
Przebieg procesu: leczenie bombardowaniem → implantacja jonów → obróbka cieplna → obróbka mechaniczna → wykrywanie
Zalety: Można przygotować cele kompozytowe funkcjonalizowane powierzchniowo.
Wady: Można przygotować tylko cienkie cele, a użycie go na dużych obszarach jest trudniejsze.

Grubsze cele tytanowe mają dłuższą żywotność napylania, zmniejszają częstotliwość zmian celów i poprawiają wydajność pracy. Jednakże rozkład grubości folii jest nierównomierny i aby go poprawić, należy obrócić tarczę. Cieńsze tarcze tytanowe mają bardziej równomierny rozkład grubości powłoki.
Folia przygotowana z tytanowego materiału docelowego o wysokiej czystości (np. 99,99%) ma wysoką czystość i dobrą wydajność. Jednakże materiał docelowy szybko się zużywa, zwiększając koszty operacyjne. Chociaż tarcze tytanowe o niskiej czystości mają zalety kosztowe, zawartość zanieczyszczeń w osadzonej folii jest wysoka, co wpływa na wydajność folii.
Warstwa docelowej folii tytanowej o dużej gęstości ma dobrą gęstość i silną przyczepność. Jednak zbyt duża gęstość również zwiększy naprężenia w membranie. Cele tytanowe o umiarkowanej gęstości pozwalają uzyskać warstwę folii o zrównoważonych parametrach.
Jasny i płaski tytan przeznaczony jest do osadzania warstw o ​​lepszej jakości powierzchni. Jednak nadmierne polerowanie może również powodować problemy z usuwaniem cząstek. Umiarkowana chropowatość powierzchni pomaga poprawić przyczepność folii.
Wielkogabarytowe tarcze tytanowe mają wysoką wydajność roboczą, ale mają słabą jednorodność i nierówny rozkład grubości powłoki. Cele o małej powierzchni mogą uzyskać jednolitą warstwę folii, ale wydajność jest niska.
Cele tytanowe o wysokiej wytrzymałości mają wysoką wytrzymałość mechaniczną, długą żywotność i dobrą odporność na zużycie, ale proces produkcyjny jest trudny. Zwykłe cele tytanowe mają niską wytrzymałość mechaniczną, są podatne na zużycie i mają krótką żywotność.
Tarcza tytanowa o jednolitej gęstości może zapewnić stałą gęstość każdego obszaru warstwy folii i uzyskać warstwę folii o jednakowej wydajności. Materiały docelowe o nierównej gęstości będą prowadzić do niestabilnej jakości filmu.
Różne pierwiastki zanieczyszczające mają różny wpływ na właściwości folii tytanowych. Na przykład zanieczyszczenie Fe poważnie wpływa na właściwości elektryczne folii, podczas gdy Si wpływa głównie na właściwości mechaniczne. Wybór tarcz tytanowych z odpowiednimi rodzajami zanieczyszczeń może zoptymalizować wydajność folii.
Drogie tarcze tytanowe zwykle charakteryzują się doskonałą wydajnością, ale koszt użytkowania jest również wysoki. Wybór opłacalnych produktów może obniżyć koszty, zapewniając jednocześnie jakość folii.

Docelowa produkcja tytanu w Chinach w 2020 r. wynosi około 12,000 ton, co zaspokaja jedynie około 1/3 zapotrzebowania rynku krajowego. Oczekuje się, że do 2025 r. docelowa zdolność produkcyjna tytanu w Chinach wzrośnie do około 20000 ton.
Do głównych producentów docelowych tytanów na świecie należą Praxair w Stanach Zjednoczonych, Toho Mining w Japonii, Western Titanium Industry w Chinach, Baoti Group itp. Pierwsza piątka pod względem udziału w rynku odpowiada za około 65% całkowitej światowej produkcji.
Jeśli chodzi o rozmiar docelowy, największą część wydruku stanowi rozmiar w calach wynoszący 2-4, stanowiący około 55% całości. Wielkogabarytowe cele w zakresie tytanu rosną szybciej i oczekuje się, że do 2023 r. osiągną około 35% całości.
Z punktu widzenia materiałów docelowych największy popyt stanowią cele z tytanu o wysokiej czystości, które będą stanowić około 60% całości w 2020 r. Duże zapotrzebowanie występuje również na cele ze stopów tytanu, a ich tempo wzrostu jest szybkie.
Wśród dalszych zastosowań tarcz tytanowych największym popytem zawsze cieszył się przemysł produkujący półprzewodniki. Jednak najszybciej rośnie popyt w branży pojazdów napędzanych energią elektryczną i oczekuje się, że do 2025 r. jego popyt przekroczy popyt w branży półprzewodników.

Horyzont:
Ze względu na doskonałe właściwości fizyczne i chemiczne tarcze tytanowe znajdują szerokie zastosowanie w powłokach optycznych, powłokach dekoracyjnych, powłokach odpornych na zużycie, urządzeniach elektronicznych, ogniwach słonecznych i innych dziedzinach, a perspektywy ich rozwoju są bardzo szerokie. Wraz z postępem nauki i technologii stale odkrywane są nowe obszary zastosowań. Na przykład w dziedzinach nowej energii, biomedycyny itp. oczekuje się dalszego rozszerzania zastosowania tarcz tytanowych.
Napotkane trudności techniczne:
Poprawa czystości celów tytanowych: Chociaż obecna czystość celów tytanowych może już zaspokoić potrzeby większości zastosowań, w przypadku niektórych zaawansowanych zastosowań, takich jak ogniwa słoneczne, materiały nadprzewodzące itp., należy jeszcze bardziej zwiększyć czystość celów tytanowych ulepszony.
Optymalizacja procesu przygotowania tarcz tytanowych: W obecnym procesie przygotowania tarcz tytanowych nadal występują pewne problemy, takie jak wysoki koszt, niska wydajność, słaba efektywność środowiskowa itp., które należy rozwiązać poprzez innowacje technologiczne i udoskonalanie procesów.
Popraw żywotność tarczy tytanowej: Podczas procesu powlekania tarcza tytanowa będzie bombardowana jonami o wysokiej energii, powodując zużycie jej powierzchni i wpływając na jej żywotność. Dlatego też, jak poprawić odporność na zużycie i żywotność tarcz tytanowych, jest ważnym problemem technicznym.
Przyszły kierunek:
Opracuj nowe cele tytanowe: Dzięki materiałoznawstwu i innowacjom procesowym opracowywane są nowe cele tytanowe, aby sprostać potrzebom zastosowań wyższej klasy.
Optymalizacja procesu przygotowania: poprzez optymalizację procesu i modernizację sprzętu możemy poprawić wydajność przygotowania docelowych materiałów tytanowych, obniżyć koszty produkcji i poprawić ekologiczność produktu.
Rozszerzanie obszarów zastosowań: Dzięki badaniom i rozwojowi technologii oraz rozwojowi rynku obszary zastosowań celów tytanowych będą dalej rozszerzane, takie jak nowa energia, biomedycyna itp.
Ogólnie rzecz biorąc, tarcze tytanowe, jako ważny materiał powłokowy, mają szerokie perspektywy rozwoju, ale stoją także przed pewnymi wyzwaniami technicznymi. Oczekuje się, że w przyszłości osiągnie większy rozwój dzięki ciągłym innowacjom technologicznym i rozwojowi rynku.