铝钪合金靶材及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及铝合金靶材加工的技术领域，尤其是涉及一种铝钪合金靶材及其制备方法、应用。

背景技术

铝钪合金靶材(AlSc)用于3C行业，作为芯片的薄膜材料，能够显著提高电子元件的压电性能，例如微机电元件MEMS等。

钪含量在8～45at％Sc(原子比)之间的铝钪合金靶材均有应用，铝钪合金靶材的压电性能随着钪含量的增加而增加，同时也增加了制作难度。铝钪合金靶材常用的制作方法有熔炼铸造，机加工，其工艺简单，然而，当钪含量>15at％Sc时，铸造的制作方式通常会导致铸锭出现裂纹、孔洞以及成分不均匀等的现象，造成无法生产高质量靶材，通常的改进方式有粉末冶金，压制成型，烧结，但却存在着过程长和成本高的问题，同时在制备和压型的过程中，粉末长时间与空气接触会导致氧含量高的问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种铝钪合金靶材的制备方法，工艺简单、易于操作，能够制备得到Al

本发明的目的之二在于提供一种铝钪合金靶材，具有Al

本发明的目的之三在于提供一种铝钪合金靶材的应用，有利于提高微机电元件的性能，应用效果突出。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，一种铝钪合金靶材的制备方法，包括以下步骤：

铝钪合金锭经喷射沉积后得到铝钪合金靶坯，再进行致密化处理，机加工，得到所述铝钪合金靶材。

进一步的，所述喷射沉积的方法包括以下步骤：

铝钪合金锭在喷射沉积炉中熔化后得到熔体，再注入漏包中，之后喷射沉积在收集盘上并冷却，得到所述铝钪合金靶坯；

优选地，所述喷射沉积炉的真空度在3×10

优选地，所述熔体的温度为1000～1500℃；

优选地，所述漏包的温度为800～1000℃。

进一步的，所述喷射沉积的导流管的直径为2～5mm；

优选地，所述喷射沉积的雾化气体包括Ar和N

优选地，所述雾化气体的压力为0.5～2MPa；

优选地，所述喷射沉积的沉积距离为100～400mm。

进一步的，所述收集盘的转速为50～100转/分钟；

优选地，所述收集盘的下降速度为10～500mm/分钟；

优选地，所述收集盘包括带有冷却功能的收集盘；

优选地，所述冷却的方式包括采用冷却水进行冷却；

优选地，所述冷却水的水压为1～2MPa。

进一步的，所述铝钪合金锭的制备方法包括以下步骤：

金属铝和金属钪混合熔炼，得到所述铝钪合金锭；

优选地，所述熔炼包括真空熔炼；

优选地，所述熔炼的真空度在3×10

优选地，所述熔炼的温度为1000～1500℃，熔炼的时间为0.5～1h。

进一步的，所述致密化处理包括等静压处理；

优选地，所述等静压处理的温度为500～700℃；

优选地，所述等静压处理的压力为100～300MPa，等静压处理的时间为3～5h。

进一步的，所述机加工包括线切割；

优选地，所述机加工之后还包括探伤检查和焊接的步骤。

第二方面，一种上述任一项所述的制备方法制备得到的铝钪合金靶材。

进一步的，所述铝钪合金靶材的钪含量在15at％以上；

优选地，所述铝钪合金靶材的氧含量为100～600ppm；

优选地，所述铝钪合金靶材中Al

第三方面，一种上述任一项所述的铝钪合金靶材在微机电元件制备中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的铝钪合金靶材的制备方法，采用喷射沉积技术，铝钪合金沉积后能够快速凝固并逐层焊接，特别适用于高钪合金(20～45at％Sc)的铝钪靶材的生产，由此得到的合金靶材具有Al

本发明提供的铝钪合金靶材，具有Al

本发明提供的铝钪合金靶材的应用，有利于提高微机电元件的性能，应用效果突出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的铝钪合金靶材的制备流程图；

图2为本发明实施例1提供的铝钪合金靶材的喷射沉积示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

根据本发明的第一个方面，提供了一种铝钪合金靶材的制备方法，包括以下步骤：

铝钪合金锭经喷射沉积后得到铝钪合金靶坯，再进行致密化处理，机加工，得到铝钪合金靶材。

本发明提供的铝钪合金靶材的制备方法，采用喷射沉积技术，铝钪合金沉积后能够快速凝固并逐层焊接，特别适用于高钪合金(20～45at％Sc)的铝钪靶材的生产，由此得到的合金靶材具有Al

在一种优选的实施方式中，本发明喷射沉积的方法包括以下步骤：

铝钪合金锭在喷射沉积炉中熔化后得到熔体，再注入漏包中，之后喷射沉积在收集盘上并冷却，得到铝钪合金靶坯。

在一种优选的实施方式中，熔体的温度可以为1000～1500℃，其典型但非限制性的温度例如为1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃；漏包的温度可以为800～1000℃，其典型但非限制性的温度例如为800℃、820℃、840℃、860℃、880℃、900℃、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃。

本发明中优选的熔体温度和漏包温度，更有利于保证熔体的流动性，同时保证熔体不会发生Al

在一种优选的实施方式中，喷射沉积的导流管的直径可以为2～5mm，例如可以为2mm、3mm、4mm、5mm，但不限于此，更有利于提高原料的输送效果。

在一种优选的实施方式中，喷射沉积炉的真空度可以在3×10

在本发明中，喷射沉积过程在高真空和保护气氛下进行，能够保证铝钪合金靶材的含氧量低于100～600ppm，且具有高的效率，这是粉末方式成型所不可比的。

在本发明中，喷射沉积的过程可以看成是逐层凝固，具有热分布和金属收缩均匀的优势，因此产品无裂纹，这对于高钪含量的合金，熔铸方式的制备显然是达不到的。

在一种优选的实施方式中，喷射沉积的雾化气体(保护气氛)包括但不限于Ar和N

在一种优选的实施方式中，雾化气体的压力可以为0.5～2MPa，其典型但非限制性的压力例如为0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa。

本发明的雾化气体压力在0.5～2MPa之间，是控制沉积速度与冷却速度同步的关键因素之一，雾化气体压力过大，则熔体金属来不及凝固，雾化气体压力过小，则金属会出现断层、孔洞，而且效率低下；本发明的雾化气体压力只有在0.5～2MPa之间，才能够保证金属快速凝固、Al

在一种优选的实施方式中，喷射沉积的沉积距离可以为100～400mm，其典型但非限制性的距离例如为100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm。

在一种优选的实施方式中，收集盘的转速可以为50～100转/分钟，其典型但非限制性的转速例如为50转/分钟、60转/分钟、70转/分钟、80转/分钟、90转/分钟、100转/分钟。

本发明中优选的沉积距离和收集盘转速，能够保证金属均匀地沉积在收集盘上，有利于提高铝钪合金靶材的制备效果。

在一种优选的实施方式中，收集盘的下降速度可以为10～500mm/分钟，其典型但非限制性的下降速度例如为10mm/分钟、50mm/分钟、100mm/分钟、150mm/分钟、200mm/分钟、250mm/分钟、300mm/分钟、350mm/分钟、400mm/分钟、450mm/分钟、500mm/分钟。

在一种优选的实施方式中，收集盘包括带有冷却功能的收集盘，其中，冷却的方式包括但不限于采用冷却水进行冷却，有利于喷射沉积的快速冷却，有利于提高铝钪合金靶坯的制备效果。

在一种优选的实施方式中，冷却水的水压可以为1～2MPa，其典型但非限制性的水压例如为1MPa、1.2MPa、1.3MPa、1.4MPa、1.5MPa、1.6MPa、1.7MPa、1.8MPa、1.9MPa、2MPa。

本发明的包括收集盘的下降速度和冷却水的水压等在内的工艺参数均是配合调节金属沉积速度的手段，各工艺参数能够协同配合，进而在沉积完毕后获得高质量的合金靶坯，有利于提高铝钪合金靶材的质量。

在一种优选的实施方式中，铝钪合金锭的制备方法包括以下步骤：

金属铝和金属钪混合熔炼，得到铝钪合金锭。

在一种优选的实施方式中，熔炼的温度可以为1000～1500℃，其典型但非限制性的温度例如为1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃。

本发明中可以采用悬浮炉进行熔炼，能够避免高温长时间合金化所带来的坩埚污染。

在本发明中，由于稀土金属钪的活性大，易氧化，所以熔炼的方法优选为真空熔炼，能够降低铝钪合金锭的氧含量。

在一种优选的实施方式中，熔炼的真空度可以在3×10

在一种优选的实施方式中，熔炼的可以为0.5～1h，其典型但非限制性的时间例如为0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1h。

在本发明中，熔炼合金化后的成分均匀，再铸入水冷的铜模中以快速冷却，有利于保证合金中Al

在一种优选的实施方式中，致密化处理包括但不限于等静压处理，本发明以喷射沉积方式得到的合金靶坯，不可避免地会存在微细的缺陷，因此需要经等静压处理来实现致密化，以保证合金靶材的高质量。

在一种优选的实施方式中，等静压处理的温度可以为500～700℃，其典型但非限制性的温度例如为500℃、550℃、600℃、650℃、700℃；等静压处理的压力可以为100～300MPa，其典型但非限制性的压力例如为100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、300MPa；等静压处理的时间可以为3～5h，其典型但非限制性的时间例如为3h、3.5h、4h、4.5h、5h。

本发明的等静压处理的工艺参数，更有利于提高合金靶坯的致密化处理效果，以保证合金靶材的高质量。

在一种优选的实施方式中，本发明的在致密化处理之后还包括以下步骤：

致密化处理后的合金靶坯按预设的要求尺寸和光洁度进行线切割加工，机加工，并进行探伤检查，得到加工好的靶；

该加工好的靶通过真空扩散焊，以焊接在基材的背板上，得到铝钪合金靶材。

在一种优选的实施方式中，基材包括但不限于6063铝材。

根据本发明的第二个方面，提供了一种上述任一项所述的制备方法制备得到的铝钪合金靶材。

在一种优选的实施方式中，本发明的铝钪合金靶材的钪含量在15at％以上，优选为20～45at％Sc。

在一种优选的实施方式中，本发明的铝钪合金靶材的氧含量为100～600ppm。

在一种优选的实施方式中，本发明的铝钪合金靶材中Al

由此可见，本发明提供的铝钪合金靶材，具有Al

根据本发明的第三个方面，提供了一种上述任一项所述的铝钪合金靶材在微机电元件制备中的应用。

本发明提供的铝钪合金靶材的应用，有利于提高微机电元件的性能，应用效果突出。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。

实施例1

一种铝钪合金靶材的制备方法，见图1，包括以下步骤：

S1：成分要求：铝钪合金靶

高纯金属铝和钪按成分要求备料，放入真空磁浮熔炼炉中，抽真空加热熔化，真空度5×10

S2：喷射沉积，见图2：该铝钪合金锭放入真空喷射沉积炉体中，抽真空加热熔化，真空度3×10

S3：该铝钪合金靶坯放入热等静压炉中，在700℃和200MPa下致密化处理5h，得到致密化处理的靶坯；

S4：该致密化处理的靶坯按预设尺寸要求及光洁度进行线切割，机加工，并进行探伤检查，得到加工好的靶；

S5：加工好的靶通过真空扩散焊，以焊接在基材为6063铝材的背板上，得到铝钪合金靶材。

实施例2

一种铝钪合金靶材的制备方法，包括以下步骤：

S1：成分要求：铝钪合金靶

高纯金属铝和钪按成分要求备料，放入真空磁浮熔炼炉中，抽真空加热熔化，真空度3×10

S2：喷射沉积：该铝钪合金锭放入真空喷射沉积炉体中，抽真空加热熔化，真空度3×10

S3：该铝钪合金靶坯放入热等静压炉中，在660℃和100MPa下致密化处理3h，得到致密化处理的靶坯；

S4：该致密化处理的靶坯按预设尺寸要求及光洁度进行线切割，机加工，并进行探伤检查，得到加工好的靶；

S5：加工好的靶通过真空扩散焊，以焊接在基材为6063铝材的背板上，得到铝钪合金靶材。

实施例3

一种铝钪合金靶材的制备方法，包括以下步骤：

S1：成分要求：铝钪合金靶

高纯金属铝和钪按成分要求备料，放入真空磁浮熔炼炉中，抽真空加热熔化，真空度3×10

S2：喷射沉积：该铝钪合金锭放入真空喷射沉积炉体中，抽真空加热熔化，真空度3×10

S3：该铝钪合金靶坯放入热等静压炉中，在660℃和150MPa下致密化处理4h，得到致密化处理的靶坯；

S4：该致密化处理的靶坯按预设尺寸要求及光洁度进行线切割，机加工，并进行探伤检查，得到加工好的靶；

S5：加工好的靶通过真空扩散焊，以焊接在基材为6063铝材的背板上，得到铝钪合金靶材。

本发明的制备方法解决了现有技术以铸造方式生产高钪含量的铝钪合金靶材时Al3Sc粒子大、分布不均匀、裂纹以及孔洞缺陷多的技术问题，同时也避免了粉末冶金法生产时的工艺复杂、氧含量高以及价格高的问题，达到了铝钪合金靶材的Al3Sc粒子细小、含氧低、成分均匀以及无裂纹的技术效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。