分段压力控制至关重要，因为它能够协调粉末颗粒的逐步重新排列和间隙气体的系统性排出，而不是瞬间强制压实。通过采用两阶段工艺——先以较低的压力（例如 140 MPa）开始，然后逐渐增加到高压保持（例如 640 MPa）——您可以显著提高多主元素合金（MPEA）生坯的相对密度。这种方法最大限度地减少了内部应力梯度，这是防止在后续无压烧结过程中出现开裂或变形的主要手段。
分段压力控制将压实过程从粗暴的力施加转变为受控的材料对齐，确保 MPEA 生坯达到在高温烧结中无损生存所需的均匀密度和结构完整性。
分段压实的工作原理
初始低压阶段的作用
在 MPEA 靶材的制备过程中，立即施加最大力可能会截留空气并将颗粒锁定在非最佳位置。
实验室液压机采用初始较低压力（例如140 MPa）来启动压实。此阶段允许粉末颗粒轻轻移动和重新排列，在被锁定到位之前优化其堆积顺序。
高压保持的功能
一旦颗粒排列好，压机将过渡到显著更高的压力（例如640 MPa）。
这种二次保持负责最大化生坯的相对密度。它强制材料最终固结，确保结构基础足够坚固，能够处理下游加工。
间隙气体的排出
这种分段方法最关键的功能之一是气体管理。
通过逐步增加压力，系统允许粉末颗粒之间截留的间隙气体逸出。如果在完全压实之前未排出这些气体，它们会形成内部空腔，导致在制造周期的后期出现缺陷。
防止烧结过程中的失效
减轻内部应力梯度
加工 MPEA 粉末的一个主要挑战是非均匀内部应力的产生。
当压力施加过于剧烈时，生坯内部会形成密度梯度。分段控制可确保压力更均匀地分布，从而产生均匀的内部结构。
确保无压烧结的生存能力
生坯的质量决定了烧结阶段的成功与否。
如果生坯含有高内部应力或截留气体，无压烧结的热能将导致这些缺陷表现为裂纹或严重变形。分段压制在施加热量之前消除了这些威胁。
与溅射应用的相关性
离子轰击下的结构稳定性
由这些生坯制备的溅射靶材必须能够承受恶劣的操作环境。
在溅射过程中，靶材会受到持续的高能离子束轰击和热冲击。通过分段压力形成的生坯能够产生具有机械稳定性的靶材，以抵抗在这些真空条件下的分层或开裂。
薄膜沉积的均匀性
靶材的密度直接影响沉积薄膜的质量。
具有均匀成分的高密度靶材可确保生成的示踪薄膜具有精确的厚度和一致的材料性能。由于压制不当导致的靶材孔隙率或密度变化，将导致最终涂层的不一致。
常见陷阱和权衡
单阶段压制的风险
为了节省时间，人们常常倾向于采用单次高压冲程。
然而，跳过分段方法几乎总是会导致截留的空气袋和不均匀的密度。虽然生坯在弹出时可能看起来很坚固，但在承受烧结温度时很可能会灾难性地失效。
平衡压力大小
虽然高压对于密度至关重要，但材料在没有专用工具的情况下能够承受的压力是有限的。
极端压力（例如高于 640 MPa）需要坚固的模具设计，以防止工具失效。此外，将高压施加到没有初始重新排列阶段的材料上，可能会导致脆性颗粒断裂而不是固结。
为您的目标做出正确选择
为了在 MPEA 溅射靶材方面取得最佳效果，请根据您的具体加工目标调整液压机设置：
- 如果您的主要重点是烧结生存能力：优先考虑初始低压保持，以确保气体排出并最大限度地减少导致加热过程中开裂的内部应力梯度。
- 如果您的主要重点是溅射性能：专注于二次高压保持的幅度，以最大化最终密度，确保靶材能够承受离子轰击和热冲击。
材料科学的真正可靠性不仅来自于施加的力，还来自于控制它的精度。
总结表：
| 阶段 | 压力水平 | 主要功能 | 对 MPEA 生坯的影响 |
|---|---|---|---|
| 初始阶段 | 低（例如 140 MPa） | 颗粒重新排列和气体排出 | 最大限度地减少内部应力和空气袋 |
| 二次阶段 | 高（例如 640 MPa） | 最终固结和致密化 | 最大化相对密度以确保烧结生存能力 |
| 压制后 | 烧结/溅射 | 材料稳定化 | 抵抗离子轰击和热冲击 |
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参考文献
- Elena Colombini, Paolo Veronesi. Powder Metallurgy Route for the Synthesis of Multiprincipal Element Alloys Sputtering Targets. DOI: 10.1002/adem.202101518
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
