一種低成本鉬管靶材的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于難熔金屬冶金制備領域，特別涉及一種低成本鑰管靶材的制造方法， 其特別適于磁控濺射用。
【背景技術】
[0002] 根據經濟學家和科學家的普遍估計，到本世紀中葉，也即2050年左右，石油資源 將會開采殆盡，其價格升到很高，不適于大眾化普及應用的時候，如果新的能源體系尚未建 立，能源危機將席卷全球，尤以歐美極大依賴于石油資源的發達國家受害為重。最嚴重的狀 態，莫過于工業大幅度萎縮，或甚至因為搶占剩余的石油資源而引發戰爭。
[0003] 為了避免上述窘境，目前美國、加拿大、日本、歐盟等都在積極開發如太陽能、風 能、海洋能（包括潮汐能和波浪能）等可再生新能源，或者將注意力轉向海底可燃冰（水合 天然氣）等新的化石能源。同時，氫氣、甲醇等燃料作為汽油、柴油的替代品，也受到了廣泛 關注。其中以綠色環保著稱的薄膜太陽能電池得到飛速發展，轉換效率得到了大幅提升，已 開始大規模工業化生產。鑰作為薄膜電池中非常重要的一層，用量越來越大。傳統的粉末 冶金方法作出的鑰管不能滿足靶材的要求，而變形法制作的靶材材料利用率非常低，成本 非常高，所以開發一種低成本，短流程，高材料利用率的鑰管靶材十分迫切。
[0004] 目前，制造鑰管靶材的方法有兩種，粉末燒結法和變形法：
[0005] (1)粉末燒結法：目前粉末燒結法有兩種，一種是采用一定粒度的鑰粉，經混粉， 裝粉，冷等靜壓成型，燒結，再經機械加工制成成品。該方法的優點是工藝流程短，易于控 制；該方法的缺點是產品密度低，孔隙率高，。另外一種是如公開號CN101642813A的專利申 請中所采用的方法：采用一定粒度的鑰粉，加入水基結合劑，混合均勻后，離心成型，脫膠， 預燒結，燒結，再經機械加工成成品。該方法工藝流程長，產品密度更低，燒結過程中橢圓度 和平直度不宜控制，由于加入了水基結合劑，氣體（C、N、0)含量很高，純度亦會降低，不適 合生產鑰管靶材。
[0006] ⑵變形法：如公開號CN101259584A中所采用的方法：采用粉末燒結法制成鑰管 坯，經鍛造，擠壓，熱處理，機械加工成成品。該方法的優點是可生產出符合使用要求的鑰管 靶，密度達到9. 9~10. 2g/cm3。該方法的缺點是工藝流程長，鍛造時會有材料損耗，鍛造 后擠壓前仍然需要機械加工，材料利用率低；由于鑰是體心立方結構，塑性較差，鍛造時容 易開裂；采用該方法生產鑰管靶材，材料利用率在30%以下，成本很高，造成大量的材料浪 費。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種低成本鑰管靶材的制造方法， 該方法工藝簡單，工藝路程短，質量易于控制，生產成本低，靶材純度高，氣體含量低，組織 均勻、晶粒細小，其靶材特別適合于磁控濺射用。
[0008] 為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0009] -種低成本鑰管靶材的制造方法，該制造方法以鑰粉為原料，依次包括：
[0010] 裝粉步驟，將鑰粉裝入預先制作好的中空模具中；
[0011] 冷等靜壓步驟，將裝好鑰粉的中空模具放入冷等靜壓機中進行冷等靜壓處理，卸 壓脫模后獲得冷等靜壓管坯；
[0012] 燒結步驟，將所述冷等靜壓管坯放入燒結爐進行燒結處理，燒結后隨爐冷卻得到 燒結后管還；和
[0013] 熱等靜壓步驟，將所述燒結管坯直接放入熱等靜壓機中進行熱等靜壓處理。
[0014] 在本發明中采用燒結和熱等靜壓聯合的工藝進行鑰管的制造，單就燒結工藝而 言，燒結溫度主要是實現管坯的燒結，但經過燒結的管坯，其密度最高也達不到理論密度 的99%，需要后續的加工，或進行軋制，而且材料收得率低，且有一定技術難度，存在報廢風 險；而燒結后選用熱等靜壓主要是使管坯進一步致密化，方便易行，技術難度低。如果熱等 靜壓前不進行燒結而即直接選用熱等靜壓，即裝粉、脫氣、封焊，工藝比較復雜，且包套材料 不易選取，如果要使其完全致密化，熱等靜壓溫度要高，Mo會與包套材料發生反應。本發明 在燒結工藝后將燒結管直接放入熱等靜壓機中進行熱等靜壓處理，無需將管坯先放入包套 中封焊后再進行熱等靜壓處理，而且本發明熱等靜壓處理溫度相對較低，不會發生鑰與包 套材料發生反應的情況，同時，本發明采用燒結與熱等靜壓聯合的工藝即可使管坯完全致 密化，方便易行，技術難度低。
[0015] 在上述制造方法中，作為一種優選實施方式，在所述冷等靜壓步驟和所述燒結步 驟之間存在對脫模后的冷等靜壓管坯進行整形的步驟。在燒結前進行整形加工的目的是加 工下來的鑰粉可以還原再用，提高原料利用率，另外也可以減少成品的加工量，因為燒結后 的鑰管還，難于加工。
[0016] 在上述制造方法中，作為一種優選實施方式，在所述熱等靜壓步驟后還包括機械 加工步驟，在所述機械加工步驟中對熱等靜壓處理處理過的管坯進行機械加工以得到目標 尺寸的成品管。
[0017] 在上述制造方法中，作為一種優選實施方式，所述原料鑰粉為平均晶粒尺寸2~ 8 μ m、純度大于99. 95%的Mo-I粉；更優選所述鑰粉的平均晶粒尺寸為2~4 μ m。采用市 售的Mo-I粉可以很好地保證靶材的純度。選擇粒度為2~10 μ m的范圍是因為選用粒度 低于2 μ m的極細粉末時難以提高燒結密度，并且粒度越小，吸附于表面的氧量變多，阻礙 低氧化，當選用粒度高于8 μ m的鑰粉時，最終靶材產品晶粒偏大，而且不易購買。
[0018] 在上述制造方法中，作為一種優選實施方式，在所述冷等靜壓步驟中，冷等靜壓力 為200~250MPa，保壓時間為20~40分鐘，更優選冷等靜壓力為230~250MPa，保壓時間 為20~30分鐘。
[0019] 在上述制造方法中，作為一種優選實施方式，在所述燒結步驟中，燒結爐的燒結溫 度控制在1800°C~2200°C，燒結時間控制在6~12h ;更優選：燒結爐的燒結溫度控制在 1900°C~2KKTC，燒結時間控制在8~12h。
[0020] 在上述制造方法中，作為一種優選實施方式，在所述燒結步驟中，所述燒結時通入 氫氣，氫氣流量控制在3~5m 3/h ;更優選氫氣流量控制在4~5m3/h。
[0021] 在上述制造方法中，作為一種優選實施方式，在所述熱等靜壓步驟中，所述熱等靜 壓機的熱等靜壓溫度控制在1200~1600°C，熱等靜壓壓力控制在150~200MPa，熱等靜壓 保溫時間為1~6h。更優選地，所述熱等靜壓溫度控制在1250~1450°C，所述熱等靜壓壓 力控制在170~200MPa，所述熱等靜壓保溫時間為2~4h。
[0022] 在上述制造方法中，作為一種優選實施方式，所述熱等靜壓步驟在惰性氣體保護 氣氛下進行，進一步優選在氬氣保護氣氛下進行。
[0023] 為了更加詳細的對上述方法進行說明，上述方法可以示例性地描述為：
[0024] 在所述冷等靜壓步驟中，將裝粉后的模具在200Ma、210MPa、220MPa、230MPa、 240MPa或250MPa條件下保壓20分鐘、25分鐘、30分鐘、35分鐘或40分鐘進行壓制，然后 卸壓脫模；
[0025] 在所述燒結步驟中，將整形后的管坯在1800°C、1850°C、1900°C、1950°C、2000°C、 20501：、21001：、21501：、21801：或 22001：條件下保溫611、711、811、911、1011、1111或1211進行燒 結，氫氣流量為3m3/h、3. 5m3/h、4m3/h、4. 5m3/h或3~5m3/h，然后隨爐冷卻；采用較大量的 氫氣可以降低模管坯中的氧含量。
[0026] 在所述熱等靜壓步驟中，將燒結后的管坯在1200°C、1250°C、130(TC、135(rC、 1400°C、1450°C、1500°C、1550°C或 1600°C條件下保溫 lh、2h、3h、4h、5h 或 6h進行燒結，保壓 壓力為150MPa、160MPa、170MPa、180MPa、190MPa或200MPa，然后隨爐冷卻；燒結后的管坯再 經過上述熱等靜壓工藝處理可以很好地提高鑰管靶材的密度。
[0027] 本發明與現有技術相比具有工藝簡單，工藝流程短，質量易于控制，另外，由于增 加了材料利用率，所以降低了生產成本。靶材純度高，氣體含量低，組織均勻、晶粒細小，燒 結過程中通入較大量的氫氣降低了模錠坯中的氧含量，本發明鑰管氧含量低于50ppm;燒 結后的管坯再經過熱等靜壓提高了鑰管靶材的密度，密度均在10. 2g/cm3以上。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發明實施例1制備的鑰管靶材的金相組織圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明，但本發明并不限于此。
[0030] 實施例1-4是根據本發明所述的磁控濺射用鑰管靶材的制造方法，制備了 4種規 格的鑰管靶材。
[0031] 實施例1
[0032] 本實施例制備的鑰管靶材成品（即中空的圓柱形靶材）的規格為：外圓/內孔直 徑為155/125_ ;長度為2000_。
[0033] 具體制備方法如下：
[0034] (1)裝粉：采用3 μ m的Mo-I粉，純度99. 98%，按冷等靜壓要求裝入預先制作好的 中空模具內等待進行冷等靜壓；
[0035] (2)冷等靜壓：按冷等靜壓要求將裝好粉后的模具放入冷等靜壓機中進行冷等靜 壓處理，冷等靜壓處理過程中的壓力為220MPa，保壓時間為20分鐘，然后進行脫模獲得冷 等靜壓后的管還；
[0036] (3)整形：將冷等靜壓后的管坯放到車床上進行整形，整形后的尺寸為：外圓/內 孔直徑為159/121mm ;長度為2500mm ;
[0037] (4)燒結：將整形好的鑰管坯放入氫氣氣氛的燒結爐中，氫氣流量為4m3/h，在 1950°C保溫8小時，然后隨爐冷卻