一種作為濺射靶材的鋁靶材與鋁合金背板的連接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種濺射靶材的制備方法，具體涉及一種鋁靶材與鋁合金背板的連接方法。
【背景技術】
[0002]工業應用的多種濺射靶材是由符合濺射要求的靶與背板連接而成的組件，在現有濺射技術下，靶材組件工作條件惡劣，濺射時靶材一側處于高溫真空下，而背板一側則通以一定壓力的冷卻水強冷，因此靶材組件兩側形成巨大的溫度差和壓力差，同時，靶材一側受到高壓電場和強磁場中各種粒子的轟擊，有大量熱量產生。因此，靶材制造中對焊接質量有著嚴格要求，焊接必須具有良好的導熱性，能夠將濺射產生的熱量傳導至冷卻水；焊縫必須具有一定的強度，否則將導致靶材在受熱條件下發生變形、開裂，影響成膜質量甚至對對濺射機臺造成損傷。
[0003]通常，純鋁及其合金靶與鋁合金背板的大面積焊接以釬焊和熱等靜壓(HIP)方式進行。釬焊焊料一般為銦和錫，但是受銦和錫的熔點限制，這種連接方式僅適合于尺寸較小、濺射功率較低的鋁靶材組件。當濺射功率增大到一定程度后，這種靶材組件將會因為焊料的熔化而失效。HIP焊接可以保證靶材的高強度焊接，并適用于大功率濺射，但針對鋁合金靶材，傳統HIP焊接溫度低時不能實現可靠連接，而HIP溫度較高時，HIP過程中易改變靶材內部組織結構，降低靶材性能。為了保證靶材質量，需開發出一種新型靶材與背板的連接方法。
[0004]專利CN101564793A公開了一種鋁靶才坯料與鋁合金背板的焊接方法，其是采取的常規的擴散焊接方法，焊接前在靶坯與背板外添加包套，工藝復雜，焊接周期長。CN102430865A公開了一種替代釬焊的靶材焊接方法及形成的靶材組件，它采用背板上加工燕尾槽連接靶坯和背板并形成組合件。該方法的主要缺陷為靶坯材料并不能完全填充結合縫隙，結合強度偏小，從而影響靶材質量。此外，該組合件的加工量大，容易變形。因此，設計一種保證高質量連接性能與使用性能且方便加工的靶材是十分必要的。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的上述問題，本發明提供一種作為濺射靶材的鋁靶材與鋁合金背板的連接方法，實現大面積靶材與背板的快速可靠連接，保證產品質量和加工效率。
[0006]為實現上述目的，本發明提供以下技術方案:
[0007]一種作為濺射靶材的鋁靶材與鋁合金背板的連接方法，包括如下步驟:
[0008]1.在鋁靶材連接面上加工出圓形凸臺，在鋁合金背板連接面上加工出形狀、位置與該凸臺相對應的圓形嵌槽；
[0009]I1.將鋁靶材的凸臺嵌合在鋁合金背板的嵌槽中；
[0010]II1.采用真空電子束焊接將靶材與背板邊緣進行封焊形成靶材組件；IV.將靶材組件進行熱處理，加熱溫度為150-450°c，保溫時間0.5-2h ；
[0011]V.將熱處理后的靶材組件熱壓，壓強為80?350MPa，保壓時間0.2_2h ；
[0012]如上所述的方法，優選地，所述鋁靶材材料為純鋁、鋁硅合金、鋁銅合金或鋁硅銅合金；所述鋁合金背板材料為普通硬鋁、5系鋁合金、6系鋁合金或7系鋁合金。
[0013]如上所述的方法，優選地，所述凸臺上加工出多個凸緣，每個凸緣為環型，多個凸緣呈同心環形排布；所述嵌槽上加工出多個凹槽，每個凹槽為環型，多個凹槽呈同心環形排布，且其尺寸和位置分別與該多個凸緣相對應。
[0014]如上所述的方法，優選地，所述每個凸緣寬為0.3-4mm，高度為0.2_4mm，排列間距為 0.5_8mm。
[0015]如上所述的方法，優選地，所述凸緣的軸向橫截面為矩形，所述凹槽的軸向橫截面為梯形，凸緣的截面面積不大于凹槽的截面面積。
[0016]如上所述的方法，優選地，所述鋁合金背板相鄰兩凹槽間的突起齒形部軸向橫截面為三角形、M形或其它復合形狀。
[0017]如上所述的方法，優選地，所述凸臺的直徑為200?450mm，凸臺與嵌槽的尺寸配合公差為0-0.5mm。
[0018]如上所述的方法，優選地，所述凸臺、嵌槽、凸緣和凹槽采用車床加工形成。
[0019]如上所述的方法，優選地，所述方法還包括步驟V1:將熱壓后組件放入熱處理爐中進行擴散處理，擴散處理溫度150?450°C，保溫時間為I?4h。
[0020]為了保證靶材內部組織穩定，靶材與背板在連接時的熱處理溫度和熱壓強度需由靶材材料的特性決定。由于純Al的再結晶溫度較低，溫度過高會導致其內部組織異常，因此需在低溫下進行后續連接操作，同時，由于其有較低的屈服強度，熱壓時較低的壓力就能保證其發生塑性變形，保證連接質量；但對于高純Al合金(如鋁硅合金、鋁銅合金或鋁硅銅合金)，其再結晶溫度和屈服強度都較純Al有極大提高，需顯著提高熱處理溫度和熱壓壓力才能保證靶材與背板的連接質量。因此，在本發明中，確定適合純Al及Al合金的熱處理加熱溫度為150-450°C，熱壓壓強為80?250MPa。
[0021]該方法中通過電子束封焊靶材和背板，使連接處處于高真空狀態，有效防止了焊接面的氧化，提高連接結合性能；同時由于電子束焊接強度較高，也防止靶材因濺射功率過大導致靶材和背板邊緣的變形、翹曲、脫離等情況發生，提高靶材使用安全性。通過熱壓后保溫的方式進行靶材與背板的連接，提高了結合強度，保證靶材質量。此外，采用新型齒形設計，提高了靶材與背板的結合強度，保證了靶材質量。本發明的有益效果具體體現在以下幾個方面:
[0022]1、實現鋁靶材與鋁合金背板的大面積連接，連接直徑為250?500mm ;
[0023]2、該方法要求靶材與背板加工配合尺寸較為寬泛，尺寸配合公差為0-0.5mm，利于加工，提高了生產效率。
[0024]3、對封焊后的靶材和背板組件進行加熱加壓連接處理，可選用HIP、直接熱壓等多種方法，加熱溫度低，連接壓力小，對設備要求低，同時保證靶材材料完全填充齒形縫隙，提高了結合強度，結合強度達到30MPa以上，焊合率達到98%以上。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明一種優先實施方式中靶材組件的軸向剖面圖；
[0026]圖2是圖1所示靶材組件連接前靶材和背板各自的軸向剖面圖；
[0027]圖3是靶材連接面示意圖，其中a為軸向剖面示意圖，b為凸緣排列的平面示意圖；
[0028]圖4是背板連接面示意圖，其中a為軸向剖面示意圖；b為齒形排列的平面示意圖；
[0029]圖5是本發明一種優選實施方式中的靶材與背板結合面局部放大圖；
[0030]圖6是圖2所不革El材和背板在電子束封焊后熱壓不意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合具體實施例對本發明的方法作進一步說明。
[0032]實施例1加工鋁靶材與鋁合金背板
[0033]如圖2所示，用車床在鋁靶材連接面上加工出圓形凸臺1，在鋁合金背板連接面上加工出形狀、位置與該凸臺相對應的圓形嵌槽2。凸臺I的直徑(Dll)和嵌槽2的直徑(D21)相等，均為200?450mm;凸臺I的高度(HlO)等于嵌槽2的深度(H20)，均為5?20mm ;凸臺與嵌槽的尺寸配合公差為0-0.5mm。
[0034]如圖3?圖5所示，凸臺I的連接面11上用車床加工出多個凸緣13，每個凸緣為環型，多個凸緣呈同心環形排布；在嵌槽2的連接面21上加工出多個凹槽23，每個凹槽23為環型，多個凹槽呈同心環形排布，且其尺寸和位置分別與該多個凸緣13相對應。
[0035]每個凸緣寬(Lll)為0.3-4mm，高度(Hll)為 0.2_3_，排列間距(L12)為 0.5_4mm。凸緣的軸向橫截面為矩形，凹槽的軸向橫截面為梯形、三角形或其它復合形狀，為保證靶材I與背板2的連接強度及焊合率，提高結合強度，鋁靶材連接面凸緣的截面面積要等于背板凹槽的截面面積。
[0036]如圖4所示，相鄰兩凹槽間的突起部24軸向橫截面為三角形、M形或其它復合形狀。該突起部24的深度(H21)為0.5-3mm，寬度(L21)為0.5_4mm，相鄰兩突起部的間距(L22)為 0.3-4mm。
[0037]如圖1和圖5所示，靶材與背板配合后，凸臺I嵌入嵌槽2中，多個凸緣13分別嵌入對應位置的凹槽23中。
[0038]實施例2高純Al (99.9995% )與606 IAl合金背板的連接
[0039]高純Al靶材，直徑280mm ;背板6061A1合金直徑320mm。按照如下步驟進行實施:
[0040](I)按照實施例1所述方法機加工靶材與背板。在高純Al靶材連接面上車出圓形凸臺1，6061A1鋁合金背板連接面上車出圓形嵌槽2(如圖1所示)。凸臺I的直徑(Dll)和嵌槽2的直徑(D21)相等，均為260mm ;凸臺I的高度(HlO)等于嵌槽2的深度(H20)，均為1mm0凸臺I的連接面11上用車床加工出多個軸向橫截面為矩形的凸緣13，每個凸緣為環型，多個凸緣呈同心環形排布；凸緣高度(Hll)0.2mm，寬度(Lll)0.5mm，排列間距(L12)為0.5mm ;6061A1合金背板嵌槽2底面與凸緣13相對應的位置車出凹槽23，相鄰兩凹槽間的突起齒形24的軸向橫截面呈三角形齒形(如圖4B所示)，齒深(H21)2mm，齒寬(L21) Imm,齒間距(L22)0.5mm。
[0041](2)清洗靶材與背板并烘干。
[0042](3)將靶材與背板配合后放入真空電子束焊機中，抽真空后進行外緣處封焊形成靶材組件。
[0043](4)由于純Al的再結晶溫度較低，溫度過高會導致其內部組織異常，因此需在低溫下進行后續連接操作。靶材組件封焊后的采用HIP工藝，2500C，壓力80MPa，保溫保壓2h。
[0044]連接性能檢驗:將冷卻后的擴散處理組件進行C-Scan掃描，發現其焊合率彡98%。使用萬能拉伸機測試其結合強度，靶材與背板結合強度61MPa。
[0045]實施例3高純AlSil合金(99.9995% )與5052A1合金背板的連接
[0046]高純AlSil合金革E材，直徑350mm ;背板5052A1合金直徑400mm。按照如下步驟進行實施:
[0047](I)按照實施例1所述方法機加工靶材與背板。在高純AlS