一种CrW合金靶材及其制备方法

技术领域

本发明属于硬质涂层技术领域，具体涉及一种CrW合金靶材及其制备方法。

背景技术

CrW靶材的应用领域越来越广泛，现有靶材制备工艺主要有两种，一种是通过热压烧结制备，长时间的高温高压下铬钨发生合金化反应，制得的靶材较硬较脆，不利于后序机加工；另外一种是高能球磨制得预合金粉，经脱气热等静压处理制得靶材，该工序繁琐，高能球磨成本较高，不利于工业化生产。

另外，CrW靶材随着W元素比例的增加，材质变得越硬、越脆，加工产品的形状受到限制，机加工难度及成本大大增加。目前通过热压及高能球磨工艺制备的CrW靶材，其W元素比例一般小于20％原子比，如授权号为CN105345007B的发明专利获得的铬钨合金靶材，其中原子百分比铬80～99％，钨1～20％。但是20％原子比W元素的CrW靶材已不能满足广泛应用的需要。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的是提供一种CrW合金靶材及其制备方法。本发明通过优化粉末粒度和成型工艺制备了W原子比最高达到50％的CrW合金靶材。

为实现上述目的，本发明提供一种CrW合金靶材的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.将Cr粉以及W粉按既定比例混合均匀，其中，所述既定比例中的W元素原子比例为5～50％，Cr粉粒度小于30μm；

S2.将混合后的粉末装入包套模具中进行脱气处理；

S3.将脱气处理后的包套进行热等静压成型处理；

S4.将热等静压成型处理后的坯料去除包套，然后将其切割成相应尺寸大小的靶片，将靶片两端面进行磨加工处理；

S5.对磨加工处理后的靶片两端面进行喷砂处理；

S6.将喷砂处理后的靶片两端面进行电镀处理；

S7.将电镀处理后的靶片与相同大小的合金背板叠放在一起装入包套模具中进行脱气处理；

S8.将脱气处理后的包套进行扩散焊接处理；

S9.将扩散焊接处理后的靶片去除包套，然后加工至所需形状的靶材，即得带背板的CrW合金靶材。

本发明采用上述技术方案，在混料时采用简单的三维混料机混料，过程简单，易操作，避免使用复杂的高能球磨设备，使得混料工序比较繁琐，成本相对较高；且混料时控制Cr粉粒度小于30μm，使得Cr粉以及W粉混料时，Cr粉粒度越小，且Cr粉粒度与W粉粒度越接近，W元素在Cr基体中分散越均匀，避免了高含量W在Cr基体中分散不易均匀、局部团聚不易致密，最终使得W原子比可高达50％，且靶材致密度良好。通过对靶材的两端面，也就是靶材的正反面进行两面电镀，使得工人操作时不用区分两面，可任意面摆放，防止出错。最后，通过在靶材底部焊接一层容易机加工的材料，从而解决靶材较脆、较硬不易加工至复杂形状靶材这一难题，使得该靶材得到更广泛的应用。热等静压与扩散焊接相结合将背板和靶材连接，与背板直接与靶材粉末进行一次热等静压结合处理相比，降低加工难度，使之结合得以实现。因为直接将靶材粉末和背板一次热等静压很难实现结合，粉末装在包套里面经热等静压变成致密靶材的过程外形收缩非常大，根据粉末粒度组成不同甚至最高达到40％的收缩，而背板是密实的材料，在热等静压的过程中不会收缩的，另外二者的热等静压工艺也不同，扩散焊接所需温度不能太高，必需低于背板(比如Cu)的熔点，而CrW第一次热等静压的温度达到1300℃，远远超过铜背板的熔点，所以不能一次热等静压实现。

进一步地，在步骤S1中，所述W粉的粒度为10-30μm。

进一步地，在步骤S1中，所述既定比例中的W元素原子比例为20～50％。

进一步地，在步骤S2中，所述脱气处理时的脱气保温温度为350～500℃(如350℃、400℃、450℃、500℃)。

进一步地，在步骤S2中，所述脱气处理时的脱气真空度为1*10

进一步地，在步骤S3中，所述热等静压成型处理时的处理温度为1200℃～1400℃(如1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃)，优选1300℃。

进一步地，在步骤S3中，所述热等静压成型处理时的压力为100～150MPa(如100MPa、110MPa、120MPa、130MPa、140MPa、150MPa)，优选130MPa。

进一步地，在步骤S3中，所述热等静压成型处理时的保温保压时间为1～4h(如1h、2h、3h、4h)。

进一步地，在步骤S4中，所述切割是利用中走丝线切割机进行。

进一步地，在步骤S4中，所述磨加工处理后、所述靶片两端面的平面度小于0.05mm(如0.01mm，0.02mm，0.03mm，0.04mm)。通过磨加工处理，将线切割的痕接磨平，确保靶片两端面是平整的。

进一步地，在步骤S5中，所述喷砂处理后、所述靶片两端面的粗糙度不小于Ra3.6(如Ra3.6，Ra3.7，Ra3.8，Ra3.9，Ra4.0)。通过喷砂处理，提高粗糙度，进而提高焊接结合力，因为磨平面后表面光滑，粗糙度较低，镀层结合力较差，故通过喷砂粗化。

进一步地，在步骤S6中，所述电镀处理为电镀镍层处理，镀层厚度约为0.1-0.3mm(如0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm)。电镀镍层化学稳定性高，其与CrW靶材基体结合力强，镍镀层与铜背板无限固溶，互相扩散，容易形成较好的焊接界面，同时镍的热膨胀系数介于两种焊接材料的中间，可以有效减小焊接应力，从而使焊接界面更加优良，焊合率更高。

进一步地，在步骤S7中，所述合金背板的材质可以是Cu、Mo及其合金。Cu的导热导电性能比较好，对于靶材来说是优选的背板材料；Mo的热膨胀系数小，强度相对更高，也是优选背板材料；CuMo二者可以做成合金，通过调控其比例，可以设计制作出综合性能好的材料作为背板。

进一步地，在步骤S7中，所述脱气处理时的脱气保温温度为300-400℃(如300℃、350℃、400℃)。

进一步地，在步骤S7中，所述脱气处理时的脱气真空度不大于2*10

进一步地，在步骤S8中，所述扩散焊接处理时的处理温度为500℃-950℃(如500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃)，优选750℃。

进一步地，在步骤S8中，所述扩散焊接处理时的压力为100-150MPa(如100MPa、110MPa、120MPa、130MPa、140MPa、150MPa)。

进一步地，在步骤S8中，所述扩散焊接处理时的保温时间为3-6h(如3h、4h、5h、6h)。

进一步地，在步骤S8中，所述扩散焊接处理通过热等静压机进行。

进一步地，在步骤S9中，所述加工为机加工，具体为通过切片机加工。

一种上述制备方法制得的CrW合金靶材，所述CrW合金靶材包括既定比例的Cr以及W，其中，W元素原子比例为5～50％。

进一步地，所述CrW合金靶材的相对密度≥99％。

本发明CrW合金靶材组织均匀，无偏析、无团聚等，致密度99％以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过HIP工艺制备了W元素的原子比达到50％的CrW合金靶材，致密度99％以上，通过表面改性镀镍以及HIP扩散焊，使背板与靶片达到了良好的扩散焊接效果，解决了机加工困难的问题。

附图说明

图1为本发明制备方法流程示意图；

图2为实施例1所得Cr

图3为实施例2所得Cr

图4为实施例3所得Cr

图5为实施例4所得Cr

图6为实施例5所得Cr

图7为实施例6所得Cr

图8为实施例7所得Cr

图9为对比例1所得Cr

图10为对比例2所得Cr

图11为对比例3所得Cr

图12为对比例4所得Cr

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。

在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。

本发明中，除非另有规定和/或说明，自始至终，所有涉及组分用量的数值均为“重量份”。下列实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。

实施例1-5

一种CrW合金靶材的制备方法，流程如图1所示，具体包括以下步骤：

S1.将Cr粉以及W粉按既定比例混合均匀，其中，所述既定比例中的W元素原子比例为5～50％，Cr粉粒度25μm，W粉的粒度为10μm；

S2.将混合后的粉末装入包套模具中进行脱气处理，脱气保温温度为400℃，脱气真空度为4*10

S3.将脱气处理后的包套放入热等静压炉内进行热等静压成型处理，处理温度为1300℃，压力为130MPa，保温保压时间为1h；

S4.将热等静压成型处理后的坯料去除包套，然后利用中走丝线切割机将其切割成相应尺寸大小的靶片，将靶片两端面进行磨加工处理至平面度小于0.05mm；

S5.对磨加工处理后的靶片两端面进行喷砂处理，使靶片两端面的粗糙度不小于Ra3.6；

S6.将喷砂处理后的靶片两端面进行电镀处理，具体为电镀镍层处理，镀层厚度约为0.01-0.1mm；

S7.将电镀处理后的靶片与相同大小的合金背板叠放在一起装入包套模具中进行脱气处理，合金背板的材质是Cu，脱气保温温度为300-400℃，脱气真空度为2*10

S8.将脱气处理后的包套装入热等静压机中进行扩散焊接处理，处理温度为900℃，压力为100-150MPa，保温时间为4h；

S9.将扩散焊接处理后的靶片去除包套，然后通过切片机加工至所需形状的靶材，即得带背板的CrW合金靶材；

实施例1-5具体制备工艺参数及所得CrW合金靶材组分等结果记录于表1中，所得合金的微观组织形貌分别展示在图2-6中。

实施例6

一种CrW合金靶材的制备方法，与实施例3的区别在于，S8.将脱气处理后的包套装入热等静压机中进行扩散焊接处理，处理温度为600℃，压力为135MPa，保温时间为4h；

其余设置均与实施例3相同。

实施例6具体制备工艺参数及所得CrW合金靶材组分等结果记录于表1中。所得合金的微观组织形貌展示在图7中。

实施例7

一种CrW合金靶材的制备方法，与实施例3的区别在于，S8.将脱气处理后的包套装入热等静压机中进行扩散焊接处理，处理温度为800℃，压力为135MPa，保温时间为4h；

其余设置均与实施例3相同。

实施例7具体制备工艺参数及所得CrW合金靶材组分等结果记录于表1中。所得合金的微观组织形貌展示在图8中。

对比例1

一种CrW合金靶材的制备方法，与实施例1的区别在于，步骤S1.将Cr粉以及W粉按既定比例混合均匀，其中，所述既定比例中的W元素原子比例为5％，Cr粉粒度为150μm，W粉的粒度为10μm；

其余设置均与实施例1相同。

对比例1具体制备工艺参数及所得CrW合金靶材组分等结果记录于表1中。所得合金的微观组织形貌展示在图9中。

对比例2

一种CrW合金靶材的制备方法，与实施例4的区别在于，步骤S1.将Cr粉以及W粉按既定比例混合均匀，其中，所述既定比例中的W元素原子比例为30％，Cr粉粒度为150μm，W粉的粒度为10μm；

其余设置均与实施例4相同。

对比例2具体制备工艺参数及所得CrW合金靶材组分等结果记录于表1中。所得合金的微观组织形貌展示在图10中。

对比例3

一种CrW合金靶材的制备方法，与实施例4的区别在于，步骤S1.将Cr粉以及W粉按既定比例混合均匀，其中，所述既定比例中的W元素原子比例为30％，Cr粉粒度为25μm，W粉的粒度为45μm；

其余设置均与实施例4相同。

对比例3具体制备工艺参数及所得CrW合金靶材组分等结果记录于表1中。所得合金的微观组织形貌展示在图11中。

对比例4

一种CrW合金靶材的制备方法，与实施例4的区别在于，步骤S1.将Cr粉以及W粉按既定比例混合均匀，其中，所述既定比例中的W元素原子比例为30％，Cr粉粒度为150μm，W粉的粒度为45μm；

其余设置均与实施例4相同。

对比例4具体制备工艺参数及所得CrW合金靶材组分等结果记录于表1中。所得合金的微观组织形貌展示在图12中。

表1实施例1-7及对比例1-4中CrW合金靶材制备方法参数及成果记录表

通过表1数据可以看出，本发明实施例1-7通过优化粉末粒度和成型工艺制备了原子比最高达到50％的靶材，通过图2-8可见，本发明CrW合金靶材围观组织分散好，组织均匀，无偏析、无团聚等，致密度99％以上。另外，通过对比例1与实施例1对比，对比例1虽然选用150μm的Cr粉原料，但由于掺加的W含量较少5％，对其致密度影响不大，二者均达到了99％以上，但二者显微组织差别较大，如图2和图9所示，可以看出，图9中对比例1中W在Cr基体中的分散明显较差。

通过对比例2和实施例4对比，对比例2虽然选用150μm的Cr粉原料，但由于掺加W含量达到了30％，对其致密度影响较大，实施例4致密度99.1％，而对比例2的致密度才98.3％，同时对比二者显微组织，如图5和图10所示，可以看出，图10中对比例2中W的分散与实施例4对比较差。

通过对比例3和对比例4对比，发现二者虽然都选用45μm的W原材料，但是Cr的原材料分别是25μm和150μm，对比例3和对比例4致密度分别为98.9％和98.1％，相差很明显，同时均小于99％的目标值。通过二者显微组织观察，如图11和图12所示，可以看出，主要是因为W颗粒较大，不易在Cr基体中分散，尤其是图12的对比例4，由于W和Cr的粒度大小差异较大，W团聚更加明显，导致热等静压后致密度较低。

另外，通过实施例3、6、7的对比可以发现，扩散焊接温度对扩散焊接最终的强度和焊合率影响不大，在本申请工艺范围内均可实现优良的焊接效果。