難熔金屬旋轉(zhuǎn)靶材等溫?cái)D壓生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及應(yīng)用于平板顯示器以及玻璃等真空鍍膜領(lǐng)域的IPC分類中B23P金屬的加工或C22C合金技術(shù)，尤其是難熔金屬旋轉(zhuǎn)靶材等溫?cái)D壓生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]難熔金屬一般指熔點(diǎn)高于1650°C并有一定儲(chǔ)量的金屬，包括鎢、鉭、鉬、鈮、鉿、鉻、釩、鋯和鈦，也有將熔點(diǎn)高于鋯熔點(diǎn)即1852°C的金屬稱為難熔金屬。以這些金屬為基體，添加其他元素形成的合金稱為難熔金屬合金。
[0003]作為濺射靶材使用的難熔金屬主要指鎢鉬鉭鈮。難熔金屬材料作為濺射已經(jīng)運(yùn)用在包括液晶顯示器、薄膜太陽能光伏、智能玻璃在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。其中難熔金屬旋轉(zhuǎn)靶材是制造難熔金屬薄膜的必備材料。難熔金屬靶材需要具備包括高密度，通常不低于理論密度的98%以及較低的氧含量，一般小于1000PPM。
[0004]為了提高鍍膜效率以及降低總成本，采用旋轉(zhuǎn)靶材已經(jīng)成為大面積鍍膜行業(yè)的主流技術(shù)趨勢(shì)，因?yàn)樾D(zhuǎn)靶材利用效率能達(dá)到80%而平面靶材只能達(dá)到30%左右，而且旋轉(zhuǎn)靶材能承受更大的濺射功率，用戶可以提高生產(chǎn)節(jié)拍增加產(chǎn)能，所以旋轉(zhuǎn)靶材已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì)。
[0005]當(dāng)前難熔金屬以及合金旋轉(zhuǎn)靶材的加工方式主要是采用屬于粉末冶金工藝范疇的熱等靜壓(HIP)和一次燒結(jié)法以及軋制工藝兩大類。熱等靜壓(HotIsostaticPressing，簡稱HIP)工藝是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時(shí)施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結(jié)和致密化。熱等靜壓工藝流程復(fù)雜、設(shè)備昂貴而且加工費(fèi)用很高，產(chǎn)品在生產(chǎn)成本上很難有競(jìng)爭力但是采用熱等靜壓工藝的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得高密度且較低氧含量的靶材。采用熱等靜壓(HIP)工藝制備旋轉(zhuǎn)難熔金屬靶材需要先通過冷等靜壓(CIP)壓制靶材管胚，再通過機(jī)加工將靶材管胚加工成規(guī)則形狀然后再按照靶材管胚制作熱等靜壓所需的包套，將靶材管胚放置到包套中并且將包套一邊加熱一邊抽真空最后通過氬弧焊的方式對(duì)包套進(jìn)行密封。如果制作多個(gè)靶管就需要為每個(gè)靶管制作一個(gè)包套。最后將包套放入熱等靜壓腔體開始熱等靜壓制程，等熱等靜壓制程結(jié)束后需要再將包套去除，然后機(jī)加工成所需尺寸得到成品靶材。燒結(jié)工藝是指粉末壓坯，在加熱到低于主要成分熔點(diǎn)的溫度，由于顆粒之間發(fā)生粘結(jié)等物理化學(xué)作用，得到所要求的強(qiáng)度和特性的材料或制品的工藝過程，燒結(jié)可分為粉末固相燒結(jié)和粉末液相燒結(jié)；按燒結(jié)氣氛，燒結(jié)可分為粉末氣氛燒結(jié)和粉末真空燒結(jié)；一次燒結(jié)工藝是流程最為簡單的方法，但燒結(jié)無法獲得高密度的靶材，通常密度只能達(dá)到90%左右，低密度的靶材作為靶材使用將無法獲得足夠致密的膜層，將影響鍍鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，產(chǎn)生大量的缺陷產(chǎn)品。
[0006]采用燒結(jié)工藝制備旋轉(zhuǎn)難熔金屬靶材需要先通過冷等靜壓(CIP)壓制成靶材管胚，然后將靶材管胚放置到燒結(jié)爐中，根據(jù)燒制材料的不同通入保護(hù)氣體，一般氬氣進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)完成后再機(jī)加工成所需尺寸得到成品靶材。采用軋制工藝制備旋轉(zhuǎn)難熔金屬靶材需要先將金屬或合金制備成一定尺寸和一定密度的金屬錠，通常密度在60~80%，然后再通過軋制致密。由于難熔金屬尤其是鎢、鉬的塑性一脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，在室溫下難以塑性加工，材料經(jīng)過軋制會(huì)變硬無法加工必須再次加熱后才能軋制，一般是在加工過程中進(jìn)行再結(jié)晶退火，其后采用消除應(yīng)力退火以使成品具有低的轉(zhuǎn)變溫度；另外由于難熔金屬具有在高溫情況下抗氧化性能差的特性，所以需要放置在惰性氣體保護(hù)或還原氣氛(通常為氫氣)保護(hù)下加熱后，直接在空氣中進(jìn)行高溫塑性加工。采用軋制工藝主要用于制備平面難熔金屬靶材，由于旋轉(zhuǎn)靶材在形狀上的特殊性，乳制工藝工藝很難獲得較高成品率，而且由于需要多次軋制和加熱，產(chǎn)品質(zhì)量很難控制。另外一些難熔金屬在摻雜其他元素形成難熔金屬合金后會(huì)在常溫下、大氣環(huán)境下不具備可加工性，如果采用當(dāng)?shù)能堉乒に嚥牧戏浅Ｈ菀灼茡p開裂。
[0007]難熔金屬薄膜的優(yōu)點(diǎn)是有良好的導(dǎo)電性以及抗氧化性能以及良好的耐候性，但是難熔金屬本身的物理性能決定其自身的塑性一脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，在室溫下難以塑性加工，需要復(fù)雜的工藝和在比較苛刻的環(huán)境條件下才能加工成鍍膜所需的靶材。尤其是在摻雜其他元素形成難熔金屬合金后，更加的難以加工成靶材。由于難熔金屬以及合金本身的物理性能導(dǎo)致加工旋轉(zhuǎn)難熔金屬以及合金靶材更比加工平面難熔金屬及合金靶材要困難許多，使的生產(chǎn)成本無法下降，這在一定程度上限制了旋轉(zhuǎn)難熔金屬靶材的發(fā)展。
[0008]已經(jīng)公開的相關(guān)改進(jìn)技術(shù)較少，中國專利申請(qǐng)201210551253.9提供了一種鈮靶材的制備方法，首先將鈮管坯進(jìn)行熱擠壓，然后將熱擠壓后的鈮管坯進(jìn)行內(nèi)孔的加工，從而得到鈮靶材。
[0009]中國專利申請(qǐng)201410018872.0含微量稀土元素的鎳釩合金磁控濺射旋轉(zhuǎn)靶材及制備方法，其靶材化學(xué)成分為0.002wt-0.05wt%RE，5_9wt%V，余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)。通過真空熔煉、澆注、熱鍛、熱穿孔或熱擠壓成管狀、冷拉、退火、機(jī)加工等工藝過程。采用的原材料有純度為99.95%的電解鎳、99.9%的海綿釩、99.9%的混合稀土元素。通過真空熔煉，在電解鎳熔清精煉后添加海綿釩，能顯著提高旋轉(zhuǎn)靶材的抗氧化性和耐蝕性，改善靶材的穩(wěn)定性和熱硬性及對(duì)材料過熱的敏感性，添加微量的稀土元素，能提高材料純度，實(shí)現(xiàn)靶材的顯微組織細(xì)化、均勻，有利于提高N1-V-RE旋轉(zhuǎn)靶材的密度和材料塑性，延長材料的使用壽命。
[0010]采用以上所述工藝生產(chǎn)難熔金屬靶材會(huì)存在諸如周期較長，成本較高和質(zhì)量缺陷等一系列問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的是提供一種難熔金屬旋轉(zhuǎn)靶材等溫?cái)D壓生產(chǎn)方法，通過對(duì)燒結(jié)溫度和擠壓變形量的控制有效的解決以上問題，提高難熔合金管坯的密度達(dá)到99%以上，確保難熔合金管坯內(nèi)部組織的均勻性和晶粒細(xì)小。
[0012]本發(fā)明的目的將通過以下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn):采用等溫?cái)D壓工藝制備旋轉(zhuǎn)難熔金屬靶材需要先通過冷等靜壓CIP壓制靶材管靶胚，再通過燒結(jié)獲得60%-80%密度的難熔金屬或難熔金屬合金靶胚，然后將預(yù)燒結(jié)后的靶管胚裝入等溫?cái)D壓模具，開始加熱到80(TC溫度，通入惰性氣體氬氣然后開始擠壓程序，在擠壓期間溫度保持不變；具體生產(chǎn)步驟包括:
a、把混好的難熔金屬或合金粉末裝在管狀橡膠模具里；
b、進(jìn)行冷等靜壓成型加工； C、取出冷壓成型的管坯，放入真空爐內(nèi)預(yù)燒，燒結(jié)溫度在1000-1800°C，密度控制在70-80% ；
d、預(yù)燒好的胚錠放在等溫?cái)D壓模具內(nèi)，預(yù)熱模具至設(shè)定溫度；
e、進(jìn)行等溫?cái)D壓，通過反向擠壓獲得難熔金屬管坯；
f、對(duì)管坯進(jìn)行機(jī)加工后，通過與襯管貼合獲得難熔金屬旋轉(zhuǎn)靶材。
[0013]尤其是，等溫?cái)D壓模具包括凸模、凹模、頂桿、加熱電熱棒、上側(cè)面隔熱保溫層、下側(cè)面隔熱保溫層、保護(hù)氣出口、保護(hù)氣入口和下模座。其中，凹模安裝在下模座上側(cè)，凹模中部有模腔，凸模下端在該模腔上端插入，擠壓工件置于凸模和凹模之間的模腔中，同時(shí)，在凹模內(nèi)模腔底部與凸模相對(duì)的另一端安裝頂桿，在凸模和凹模外側(cè)上、下部分別安裝上側(cè)面隔熱保溫層以及下側(cè)面隔熱保溫層，在凹模上安裝加熱電熱棒，上側(cè)面隔熱保溫層以及下側(cè)面隔熱保溫層上分別安裝保護(hù)氣出口、保護(hù)氣入口。
[0014]尤其是，在整個(gè)擠壓過程中，上、下部凸凹模上的?？赘浇冃螀^(qū)金屬的溫度始終保持恒定，保持金屬變形抗力和金屬流動(dòng)的均勻性。
[0015]尤其是，采用等溫?cái)D壓工藝生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)金屬鉬鈮合金靶材，把90at%的鉬粉和10at%鈮粉，通過三維混料機(jī)混合均勻后，裝在直徑為170mm的橡膠模套里，進(jìn)行冷等靜壓，壓力為180Mpa，取出冷壓成型的胚錠，在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，通過1300°C的溫度燒結(jié)4h，預(yù)燒后的密度為75%。對(duì)合金錠進(jìn)行外徑加工后放入等溫?cái)D壓模具，擠壓溫度為1700°C，擠壓后的管坯尺寸為內(nèi)徑130_，外徑為160_，密度為99.1%。擠壓成型的管坯通過貼合工序，與不銹鋼襯管結(jié)合，獲得鉬鈮合金旋轉(zhuǎn)靶材。
[0016]尤其是，采用等溫?cái)D壓工藝生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)金屬鎢合金靶材，把90at%的鎢粉和10&丨％鈦粉，通過三維混料機(jī)混合均勻后，裝在直徑為170_的橡膠模套里，進(jìn)行冷等靜壓，壓力為180Mpa，取出冷壓成型的胚錠，在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，通過1400°C的溫度燒結(jié)3h，預(yù)燒后的密度為78%。對(duì)合金錠進(jìn)行外徑加工后放入等溫?cái)D壓模具，擠壓溫度為150(TC