钛铝靶材是以钛（Ti）和铝（Al）为主要成分，通过特定工艺制备而成的合金溅射靶材，是物理气相沉积（PVD）技术的关键“源头”材料。通过磁控溅射、电弧离子镀等工艺，钛铝靶材被气化并沉积在部件表面，形成一层兼具轻质、高强度、耐高温、抗氧化的钛铝或钛铝氮（TiAlN）等功能涂层，是提升航空航天装备性能、可靠性与寿命的核心手段之一。
区别于传统工具镀膜领域，航空航天应用对钛铝靶材提出了极致的性能要求：它不仅需要靶材本身具备超高纯度、无缺陷和高致密度，更要求其沉积出的薄膜能在极端环境（如超过800℃的发动机热端、高盐雾海洋大气、太空高低温循环）下长期稳定工作，其技术复杂度和认证门槛远高于普通工业领域。
一、 定义与核心材质
1. 定义：
航空航天用钛铝靶材，特指为满足航空航天极端服役环境要求而设计制造的高性能钛铝合金溅射源。其核心功能是通过PVD工艺，在航空发动机叶片、机匣、航天器结构件、精密仪器表面沉积出轻质、高强、耐高温氧化和抗腐蚀的钛铝基防护涂层或功能薄膜。
2. 核心材质与相组成：
其材质并非简单的钛铝机械混合，而是通过精确的原子配比（常用钛铝原子比从90:10至50:50不等），形成以金属间化合物为主体的高性能合金。
关键物相：主要包含 γ-TiAl 和 α₂-Ti₃Al 相。γ-TiAl相提供良好的高温强度和抗氧化性，α₂-Ti₃Al相则有助于提升合金的室温塑性和韧性。最新研发的第三代γ-TiAl合金是当前的研究与应用前沿，旨在进一步改善其热加工性能和使用可靠性。
典型特性：密度约为4.54 g/cm³，远低于镍基高温合金，可实现显著的减重效果；熔点高达1942K（约1669℃），具备优异的高温潜力。
与涂层的联系：在反应性溅射中（如通入氮气），该靶材用于沉积钛铝氮（TiAlN）纳米复合涂层，其高温硬度、抗氧化性（可达800℃以上）远超普通的TiN涂层，是航空部件防护的关键。
二、 关键性能特点
航空航天领域对钛铝靶材的性能要求是全方位且极其严苛的，具体体现在以下几个方面：
| 性能维度 | 具体要求与描述 | 对航空航天应用的意义 |
| 高温稳定性与抗氧化性 | 涂层必须在800℃以上长期保持稳定，表面能形成致密、附着力强的Al₂O₃保护膜以阻止进一步氧化。 | 保证发动机涡轮叶片、燃烧室等热端部件在极端温度下的使用寿命与可靠性。 |
| 优异的力学性能 | 沉积的涂层需具有高硬度（通常>30 GPa）、高韧性、良好的膜基结合力以及优异的抗热震疲劳性能。 | 抵御高速气流冲刷、微小颗粒撞击（砂蚀、液滴侵蚀）以及频繁起降带来的热循环应力，防止涂层剥落。 |
| 轻量化特性 | 钛铝合金靶材及其涂层密度低（约3.6-4.2 g/cm³），是实现减重的理想材料。 | 直接提升飞行器的推重比、燃油经济性和有效载荷，对航空航天器至关重要。 |
| 靶材本征质量 | 高纯度（通常≥99.9%）、高致密度（接近理论密度）、微观组织均匀（细小等轴晶）。杂质和气孔会导致涂层产生缺陷。 | 确保溅射过程稳定，沉积的涂层成分均匀、无缺陷，是获得高性能涂层的前提。 |
| 工艺稳定性 | 在反应溅射（如制备TiAlN）时，靶材应具备良好的“抗中毒”能力，即表面形成化合物后仍能保持稳定的溅射速率，避免工艺波动。 | 保障大规模、重复性生产中涂层性能的高度一致性和可靠性，满足航空航天的质量体系要求。 |
三、 主要执行标准
目前，针对航空航天用钛铝靶材的专用国际或国家标准体系尚在发展和完善中。其生产与验收主要依据以下几类规范：
通用材料基础标准：参考钛及钛合金的国标（如GB/T 16598, GB/T 2965）和美军标（如ASTM B381, AMS规范），对化学成分、杂质含量、力学性能基础等进行约束。
企业/行业专用技术协议：这是最主要的约束文件。航空发动机制造商（如Rolls-Royce, GE, 赛峰）或航天器主制造商（如波音、空客、中国商飞）会提出极其严苛的定制化技术标准，涵盖从靶材纯度、相组成、晶粒度、超声波探伤等级到涂层最终性能（如结合力、热震次数、抗氧化温度-时间曲线）的全套验收指标。
参考相关领域高标准：由于其高可靠性和高性能要求，部分测试方法和质量体系会参考半导体用高纯靶材（如GB/T 44759-2024对高纯镍靶的要求）和核电材料的严苛标准。
四、 加工工艺、关键技术及流程
高品质航空航天钛铝靶材的制备是技术密集型过程，克服了钛铝金属间化合物固有的室温脆性、难加工等难题。
1. 核心加工流程：
原料处理（高纯钛/铝粉或电极）→ 熔炼/成型（真空自耗电弧熔炼VAR或粉末冶金）→ 热机械处理（锻造、热挤压、轧制）→ 均匀化热处理 → 精密机械加工 → 背板焊接（与无氧铜背板高质量绑定）→ 无损检测（超声探伤等）→ 超净清洗与真空包装。
2. 关键技术环节：
均质化熔炼与成型技术：传统铸造易产生偏析和气孔。目前多采用多次真空自耗电弧熔炼（VAR） 确保成分均匀。对于大尺寸或特殊成分靶材，粉末冶金结合热等静压（HIP） 是重要方向，能有效细化晶粒、提高致密度。
可控的热机械加工技术：钛铝合金热变形抗力大、加工窗口窄。采用等温锻造、热挤压（如将Φ76mm铸锭挤压成Φ20mm棒材）等先进塑性加工技术，是破碎铸态组织、获得均匀细小等轴晶、提升靶材性能的关键步骤。
相组成与微观组织精确调控：通过精确控制热处理温度、时间和冷却速率，调控γ-TiAl和α₂-Ti₃Al两相的比例、形貌和分布，从而优化靶材的溅射性能和最终涂层的力学性能。
高质量绑定与无损检测：采用高温真空扩散焊等工艺，确保靶材与背板实现冶金结合，界面热阻低、结合强度高。必须进行100%超声波探伤，确保内部无分层、气孔等缺陷。
五、 具体应用领域
| 应用领域 | 具体部件与功能 | 涂层类型与技术要求 |
| 航空发动机高温部件 | 高压涡轮叶片、导向器叶片、燃烧室火焰筒、机匣。 | TiAlN基超硬防护涂层。要求涂层具有极高的高温抗氧化性（>900℃）、优异的抗热震疲劳性能、良好的抗高温燃气腐蚀（硫化、热腐蚀）能力，以替代或部分替代贵金属铂铝涂层，延长大修间隔。 |
| 飞行器与航天装备防护 | 飞机起落架、作动筒、航天器蒙皮、发动机舱结构件、高温紧固件。 | 耐磨耐蚀涂层。利用TiAlN或TiAlCN涂层的高硬度、低摩擦系数和耐盐雾腐蚀特性，提升部件在复杂大气环境下的耐磨性和抗腐蚀能力，保障长期服役安全。 |
| 精密器件 | 航天器惯性导航系统陀螺仪、卫星姿态控制飞轮轴承、高速旋转扫描镜轴承。 | 减摩增韧与尺寸稳定涂层。要求涂层极低的内部应力、优异的摩擦学性能（低磨损率）、高精度且稳定的膜厚控制，以满足精密器件对尺寸稳定性和长寿命、高可靠性的极致要求。 |
六、 与其他领域用钛铝靶材的对比
| 对比维度 | 航空航天领域 | 工具与模具镀膜 | 半导体/微电子/显示面板 | 光伏能源/高温化工/海洋工程 |
| 核心性能追求 | 极端环境可靠性：高温氧化抗力、抗热震、高比强度、长寿命。 | 表面力学性能：高硬度、耐磨性、低摩擦系数，以提升加工效率。 | 薄膜电学/光学性能：特定的电阻率、均匀性、纯度，服务于电路或显示功能。 | 特定环境耐受性：耐化学腐蚀、耐湿热老化、或特定的光学透射/反射特性。 |
| 典型涂层体系 | 高温TiAlN、Pt改性的铝化物涂层、MCrAlY（金属陶瓷）结合涂层。 | 常规TiAlN、TiAlCrN 等硬质涂层。 | 钛、铝、钛铝合金薄膜，用于电极、阻挡层等。 | 氧化钛、氮化铝等透明导电或耐蚀薄膜。 |
| 对靶材纯度要求 | 高（≥99.9%），严格控制有害杂质（如O、N、Fe），但略低于半导体。 | 中（99.5%-99.9%），成本控制是关键因素之一。 | 极高（99.999%-99.9999%），对碱金属、放射性元素等有严苛限制。 | 中到高，取决于具体应用场景。 |
| 对靶材均匀性要求 | 极高，要求微观组织（晶粒、相分布）高度均匀，以确保涂层性能一致性。 | 高，但对均匀性的容忍度高于航空航天。 | 极致，要求纳米级成分与厚度均匀，直接影响器件良率。 | 高，尤其在大面积镀膜时。 |
| 技术门槛与成本 | 最高。涉及国防安全，认证周期极长（5-10年），研发与制造成本高昂。 | 中。技术成熟，市场竞争激烈，已高度产业化。 | 极高。设备投资巨大，技术壁垒森严，认证严格。 | 中到高。取决于技术迭代速度和工况苛刻程度。 |
七、 未来发展新领域与方向
面向新一代动力系统的超高温涂层材料：
随着自适应变循环发动机、高超声速飞行器的发展，对热端部件涂层耐温能力提出1100℃乃至更高要求。未来将发展基于TiAl靶材的多元纳米复合涂层（如掺杂Y、Hf、Si等元素的TiAlSiYN涂层），利用纳米效应和活性元素效应，进一步强化氧化膜的粘附性和涂层的高温稳定性。
智能化与梯度功能一体化涂层：
开发“结构-功能”一体化智能涂层。例如，利用钛铝靶材与其他靶材共溅射，制备具有成分/结构梯度的涂层，使其表层具备最佳防护性能，中间层实现应力缓冲，底层实现与基体的最佳结合。甚至探索具有自修复、自感知（如通过涂层电阻变化监测损伤）功能的智能涂层体系。
增材制造（3D打印）部件的原位/后处理涂层：
钛铝合金本身已是3D打印的重要材料。未来，针对复杂拓扑结构的3D打印航空航天部件（如点阵结构散热器、一体化叶片），开发与之匹配的非视线PVD涂层技术（如高能脉冲磁控溅射HiPIMS、原子层沉积ALD与PVD结合），实现深孔、内腔表面的均匀高性能镀膜，将是重要方向。
太空环境长效防护与在轨维护技术：
针对空间站、深空探测器、可重复使用航天器，利用钛铝基涂层优异的抗原子氧侵蚀、抗空间碎片撞击、抗高低温交变和真空紫外辐照性能，开发超长寿命（>15年）的太空环境防护涂层。并研究基于靶材技术的在轨表面修复与强化的可能性。
绿色制造与全生命周期管理：
推广靶材的回收与再制造技术。如研究将航空航天涂层使用后的废旧（但仍有很高材料价值）钛铝靶材进行回收，通过特定工艺再生为符合要求的靶材，降低成本并符合可持续发展理念。
总而言之，航空航天用钛铝靶材及其涂层技术正朝着 “耐温更高、功能更智、应用更广、全寿更绿” 的方向发展。它不仅是当前提升航空航天装备性能的关键，更是支撑未来空天技术革命不可或缺的先导性材料。其技术进步将与新型发动机设计、新材料（如陶瓷基复合材料CMC）应用、先进制造工艺深度融合，共同推动航空航天工业进入新的发展阶段。
