CN105063558B - 一种Mo‑Ta合金靶材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Mo‑Ta合金靶材的制备方法，包括以下步骤：以Mo粉和Ta粉为原料，将Ta粉与部分Mo粉装入球磨罐，依次加入无水乙醇和钼球，在氩气保护下高能球磨制备球磨粉，随后将球磨粉与剩余Mo粉在氩气气氛下混合，制得复合粉末；然后复合粉末冷等静压压坯，将压坯放入烧结炉中烧结，烧结后进行固溶退火，得到Mo‑Ta合金；最后将Mo‑Ta合金机加工制得Mo‑Ta合金靶材。本发明的方法制备出的Mo‑Ta合金靶材组织均匀、致密度高、成本较低且性能优越，适合规模化工业生产。

Description

一种Mo-Ta合金靶材的制备方法

技术领域

本发明属于金属靶材制备技术领域，具体涉及一种Mo-Ta合金靶材的制备方法。

背景技术

随着电子行业的不断发展，目前液晶显示器、等离子显示器和触摸屏等平板显示已经成为显示器的主流，越来越多的应用于我们生活的各个方面。平面显示器的快速发展，也极大地带动了钼及钼合金溅射靶材的市场需求量。但应迄今为止，国内由于设备和技术的限制，大多面板生产线所需的钼溅射靶材，特别是钼合金溅射靶材仍需从国外进口。

钼金属靶材具有高熔点、高电导率、较低的比阻抗、较好的耐腐蚀性以及良好的环保性能等优点，但也存在不令人满意的地方，主要是易氧化、不耐湿，这些缺点将直接影响显示屏的质量。因此，在钼靶材中加入铌、钽等合金元素以提高钼靶性能，钼靶材合金化已成为钼金属靶材行业的主要发展趋势。

钼钽合金(Mo-Ta合金)靶材是把钼钽合金通过离子溅射镀覆到基材上的原料。由于钼钽合金为置换固溶体合金，且钽的熔点高于钼的熔点，这使得钼钽合金在常规钼金属烧结工艺下难以致密，通常需要提高烧结温度才能到达烧结致密，但烧结温度的提高不仅对设备提出了更高的要求，同时也会影响合金最终的组织形貌。普通等静压制工艺受最大压制力的限制，压坯密度较低，压坯孔隙度高，故传统的等静压制和烧结方法生产的钼钽合金相对密度小于90％，难以满足溅射靶材用钼钽合金板材的生产要求；热压法制备出的靶材受热压模具尺寸限制，且存在着温度分布不均的现象，影响合金组织的均匀性；热等静压法虽然可以得到致密度接近100％的靶材，但设备复杂，成本较高。因此，开发出成本较低且性能优越的Mo-Ta合金靶材具有现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足(即无法同时满足高致密度和低成本的问题)，提供一种Mo-Ta合金靶材的制备方法。该方法通过制粉、压型、烧结和后续的固溶处理，制备出组织均匀、致密度高的Mo-Ta合金靶材，在降低生产成本的基础上保证了产品的性能。

本发明采用的技术方案是，一种Mo-Ta合金靶材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制粉；

称取Mo粉和Ta粉，将Ta粉与部分Mo粉装入球磨罐中，再依次加入无水乙醇和钼球，在氩气保护下高能球磨，得到球磨粉；随后将球磨粉与剩余Mo粉加入混料机，在氩气气氛下混合，制得复合粉末。

步骤二、压型；

将复合粉末放入冷等静压机的橡胶包套中，冷等静压压制得压坯。

步骤三、烧结；

将压坯放入烧结炉中，采用两段式烧结工艺烧结，得到合金烧结坯。

步骤四、固溶退火；

将合金烧结坯进行固溶退火，得到Mo-Ta合金；

步骤五、机加工；

对Mo-Ta合金进行机加工制得Mo-Ta合金靶材。

本发明的特点在于：

本发明步骤一中，原料中Mo粉和Ta粉的质量百分比为：Mo粉89％～98％，Ta粉2％～11％，以上两组份的质量百分比总和为100％。其中，Mo粉的费氏粒度均为2.0μm～5.0μm，对Ta粉的颗粒大小及形貌无特殊要求。

加入球磨罐的Ta粉与Mo粉的质量比为0.5～5：1，无水乙醇的质量为加入球磨罐的Mo粉和Ta粉总质量的1.5％～3％；球磨罐中球料比为5～15:1，球磨时间为8～40h，球磨罐转速为220r/min。

混料机可以是任何适用于颗粒材料气氛混合的混料机，如常见的V型混料机、双锥混料机、搅拌型混料机等。优选地，在混料机中混合的时间为2h～15h。

本发明步骤二的压型采用冷等静压的方式，具体为：在150～250MPa压力下保压6～20min。

本发明步骤三的烧结采用两段式烧结工艺，具体为：先对烧结炉进行加热，升温速度1～5℃/min，待炉内温度升至1500℃～1750℃时，保温烧结3h～5h，烧结过程中真空度为5×10^-3～9×10^-2Pa；然后向烧结炉内通入氢气，继续升温至1850℃～2000℃，保温烧结4h～10h，得到合金烧结坯；其中，两段式烧结工艺的炉内升温和保温的总时间为25h～35h。该合金坯料致密度高，碳、氧含量低。

本发明步骤四的固溶退火的退火温度为1300-1500℃，退火时间为5-24h。

本发明的机加工为工业常见的切割、车、镗、铣，粗磨、细磨等加工方式，本专利不限制机加工的方式，凡是通过机加工将Mo-Ta合金制备而成的靶材都属于本专利的保护范围。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的Mo-Ta合金靶材的制备方法对原料钽粉颗粒大小及形貌无特殊要求；并采用先高能球磨钽粉与部分钼粉，再将球磨粉与剩余钼粉通过混料机混合处理，制得合金复合粉，成分均匀，这种混合方法较之整体混合(原料钽粉与钼粉同时加入混合)制成的合金更能满足靶材制备要求。同时，通过高能球磨钽粉与部分钼粉后达到预合金化或合金化，颗粒内部产生严重的晶格畸变、高密度缺陷和纳米结构，这使得后续Mo-Ta合金烧结不同于常规的固相烧结，显示出极大的烧结活性，因而烧结温度降低，可以在现有Mo金属烧结温度下实现Mo-Ta合金的致密化烧结，有效降低了生产成本。

(2)本发明制备方法得到的Mo-Ta合金的相对密度可达95％以上，细小等轴晶，合金成分分布均匀，组织结构理想。

(3)采用本发明的Mo-Ta合金制备的合金靶材性能良好，能够满足溅射靶材的质量要求，适合规模化工业生产。

附图说明

图1是本发明Mo-Ta合金靶材的金相组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。

本发明提供了一种Mo-Ta合金靶材的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制粉

称取Mo粉和Ta粉，将Ta粉与部分Mo粉装入球磨罐中，再依次加入无水乙醇和钼球，在氩气保护下高能球磨，得到球磨粉；随后将球磨粉与剩余Mo粉加入混料机，在氩气气氛下混合，制得复合粉末。

原料中Mo粉和Ta粉的质量百分比为：Mo粉89％～98％，Ta粉2％～11％，以上两组份的质量总和为100％。其中，Mo粉的费氏粒度为2.0μm～5.0μm，对Ta粉的颗粒大小及形貌无特殊要求。

优选地，加入球磨罐的Ta粉与Mo粉的质量比为0.5～5：1，无水乙醇的质量为加入球磨罐的Mo粉和Ta粉总质量的1.5％～3％；球磨罐中球料比为5～15:1，球磨时间为8～40h，球磨罐转速为220r/min。

混料机可以是任何适用于粉状材料混合的混料机，如常见的V型混料机、双锥混料机、搅拌型混料机等。优选地，在混料机中混合的时间为2h～15h。

步骤二、压型

将复合粉末放入冷等静压机的橡胶包套中，冷等静压压制得压坯。

优选地，步骤二冷等静压具体为：在150～250MPa压力下保压6～20min。

步骤三、烧结

将压坯放入烧结炉中，采用两段式烧结工艺烧结，得到合金烧结坯。

两段式烧结工艺具体为：先对烧结炉进行加热，升温速度1～5℃/min，待炉内温度升至1500℃～1750℃时，保温烧结3h～5h，烧结过程中真空度为5×10^-3～9×10^-2Pa；然后向烧结炉内通入氢气，继续升温至1850℃～2000℃，保温烧结4h～10h，得到合金坯料；其中，两段式烧结工艺的炉内升温和保温的总时间为25h～35h。

步骤四、固溶退火

将合金烧结坯进行固溶退火，得到Mo-Ta合金。

优选地，步骤四退火温度为1300-1500℃，退火时间为5-24h。

步骤五、机加工

对Mo-Ta合金进行机加工制得Mo-Ta合金靶材。

图1为采用本发明制备方法得到的Mo-Ta合金靶材的金相组织图，由图中可看出，该合金靶材的晶粒细小，为等轴晶，合金成分分布均匀，组织结构理想，满足溅射靶材的质量要求。

实施例1

步骤一、称取钼粉890g、钽粉110g，钼粉纯度为99.95％，费氏粒度为5.0μm，钽粉纯度为99.95％；将110g钽粉与55g钼粉装入球磨罐中，加入4ml无水乙醇，使粉末有润湿感，然后加入830g钼球，在氩气保护下高能球磨8h，球磨罐转速为220r/min。高能球磨后的粉末达到预合金化或合金化，成分分布均匀，随后将球磨粉与剩余835g钼粉加入V型混料机，通入氩气，混合8h使粉末分布均匀，制得复合粉末，复合粉末中球磨后的合金粉末与剩余钼粉均匀分布，其晶格畸变、高密度缺陷和纳米结构为之后的烧结提供了较大的驱动力，利于合金的致密化、固溶。

步骤二、将复合粉末放入橡胶包套中，于160MPa压力下保压20min，冷等静压压制成坯。

步骤三、将压坯放入烧结炉中，在真空条件下对烧结炉进行加热，升温速度2℃/min，待炉内温度升至1500℃时，保温4h，烧结过程中保持真空度为4×10^-2～7×10^-3Pa；然后向烧结炉内通入氢气，继续升温至2000℃，保温烧结8h；炉内升温和保温的总时间为28h，随炉冷却得到合金烧结坯。

步骤四、再将烧结后的合金进行氩气下固溶退火，退火温度为1350℃，退火时间为8h，得到Mo-Ta合金，退火后钽、钼固溶或部分固溶，合金成分分布均匀，由于本发明中Mo-Ta合金相对密度、组织形貌与Mo-Ta合金靶材相同，在此不做赘述。

步骤五、对Mo-Ta合金进行机加工，制得Mo-Ta靶材成品相对密度可达98％，为等轴晶，晶粒细小，组织结构理想。

实施例2

步骤一、称取钼粉980g、钽粉20g，钼粉的纯度为99.95％，费氏粒度为3.0μm，钽粉粉末的纯度为99.95％；将20g钽粉与20g钼粉装入球磨罐中，加入1ml无水乙醇，使粉末有润湿感，然后加入钼球320g，在氩气保护下高能球磨35h，球磨罐转速为220r/min。随后将球磨粉与剩余960g钼粉加入V型混料机，通入氩气，混合15h，制得复合粉末。

步骤二、将复合粉末放入橡胶包套中，于230MPa压力下保压18min，冷等静压压制成坯。

步骤三、将压坯放入烧结炉中，在真空条件下对烧结炉进行加热，升温速度5℃/min，待炉内温度升至1750℃时，保温3h，烧结过程中保持真空度为4×10^-3～4×10^-2；然后向烧结炉内通入氢气，继续升温至1850℃，保温4h；炉内升温和保温的总时间为35h，随炉冷却得到合金烧结坯；

步骤四、再将烧结后的合金烧结坯进行氩气下固溶退火，退火温度为1450℃，退火时间为2h；

步骤五、对Mo-Ta合金进行机加工，制得Mo-Ta靶材成品相对密度可达96％，为等轴晶，晶粒细小，组织结构理想。

实施例3

步骤一、称取钼粉950g、钽粉50g，钼粉的纯度为99.95％，费氏粒度为2.0μm，钽粉粉末的纯度为99.95％；将50g钽粉与150g钼粉装入球磨罐中，加入7ml无水乙醇，使粉末有润湿感，然后加入3000g钼球，在氩气保护下高能球磨30h，球磨罐转速为220r/min。随后将球磨粉与剩余800g钼粉加入V型混料机，通入氩气，混合4h，制得复合粉末。

步骤二、将复合粉末放入橡胶包套中，于250MPa压力下保压20min，冷等静压压制成坯。

步骤三、将压坯放入烧结炉中，在真空条件下对烧结炉进行加热，升温速率4℃/min，待炉内温度升至1700℃时，保温5h，烧结过程中保持真空度为5×10^-3～4×10^-2；然后向烧结炉内通入氢气，继续升温至1900℃，保温5h，炉内升温和保温的总时间为32h，随炉冷却得到合金烧结坯；

步骤四、再将烧结后的合金进行氩气下固溶退火，退火温度为1500℃，退火时间为15h；

步骤五、对Mo-Ta合金进行机加工，制得Mo-Ta靶材成品相对密度可达96.5％，为等轴晶，晶粒细小，组织结构理想。

实施例4

步骤一、称取钼粉930g、钽粉70g，钼粉的纯度为99.95％，费氏粒度为2.0μm，钽粉粉末的纯度为99.95％；将70g钽粉与350钼粉装入球磨罐中，加入15ml无水乙醇，使粉末有润湿感，然后加入4200g钼球，在氩气保护下高能球磨20h，球磨罐转速为220r/min。随后将球磨粉与剩余580g钼粉加入V型混料机，通入氩气，混合10h，制得复合粉末。

步骤二、将复合粉末放入橡胶包套中，于250MPa压力下保压6min，冷等静压压制成坯。

步骤三、将压坯放入烧结炉中，在真空条件下对烧结炉进行加热，升温速度2℃/min，待炉内温度升至1550℃时，保温5h，保持真空度为6×10^-3～8×10^-2；然后向烧结炉内通入氢气，继续升温至1850℃，保温6h，炉内升温和保温的总时间为30h，随炉冷却得到合金烧结坯；

步骤四、再将烧结后的合金进行真空下固溶退火，退火温度为1400℃，退火时间为24h；

步骤五、最后对Mo-Ta合金进行机加工，制得Mo-Ta靶材成品相对密度可达97％，为等轴晶，晶粒细小，组织结构理想。

实施例5

步骤一、称取钼粉970g/钽粉30g，钼粉的纯度为99.95％，费氏粒度为5.0μm，钽粉粉末的纯度为99.95％；将30g钽粉与150g钼粉装入球磨罐中，加入7ml无水乙醇，使粉末有润湿感，然后加入560g钼球，在氩气保护下高能球磨40h，球磨罐转速为220r/min。随后将球磨粉与剩余钼粉加入V型混料机，通入氩气，混合15h，制得复合粉末。

步骤二、将复合粉末放入橡胶包套中，于200MPa压力下保压6min，冷等静压压制成坯。

步骤三、将压坯放入烧结炉中，在真空条件下对烧结炉进行加热，升温速度2.5℃/min，待炉内温度升至1650℃时，保温5h，烧结过程中保持真空度为6×10^-3～8.5×10^-2；然后向烧结炉内通入氢气，继续升温至1980℃，保温烧结10h；炉内升温和保温的总时间为28h，随炉冷却得到合金烧结坯；

步骤四、再将烧结后的合金进行真空下固溶退火，退火温度为1450℃，退火时间为2h；

步骤五、对Mo-Ta合金进行机加工，制得Mo-Ta靶材成品相对密度可达97％，为等轴晶，晶粒细小，组织结构理想。

本发明采用先高能球磨Ta粉与部分Mo粉，再将球磨粉与剩余钼粉通过混料机混合处理的工艺，通过高能球磨Ta粉与部分Mo粉后达到预合金化或合金化，使颗粒内部产生严重的晶格畸变、高密度缺陷和纳米结构，有利于优化后续烧结工艺。

本发明的制备方法解决了现有工艺无法同时满足高致密度和低成本的问题，制备出的Mo-Ta合金靶材组织均匀、致密度高、成本较低且性能优越，适合规模化工业生产。

本发明以上描述只是部分实施案例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的合金材料和方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种Mo-Ta合金靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制粉；

称取Mo粉和Ta粉，按照质量比为0.5～5:1的比例将全部Ta粉与部分Mo粉装入球磨罐中，再依次加入无水乙醇和钼球，球料比为5:1～15:1，在氩气保护下高能球磨，得到球磨粉；随后将球磨粉与剩余Mo粉加入混料机，在氩气气氛下混合，制得复合粉末；

步骤二、压型；

将复合粉末放入冷等静压机的橡胶包套中，冷等静压压制得压坯；

步骤三、烧结；

将压坯放入烧结炉中，采用两段式烧结工艺烧结，具体为：先对烧结炉进行加热，升温速度1～5℃/min，待炉内温度升至1500℃～1750℃时，保温烧结3h～5h，烧结过程中真空度为5×10^-3～9×10^-2Pa；然后向烧结炉内通入氢气，继续升温至1850℃～2000℃，保温烧结4h～10h，得到合金坯料；其中，两段式烧结工艺的炉内升温和保温的总时间为25h～35h，烧结结束得到合金烧结坯；

步骤四、固溶退火；

将合金烧结坯进行固溶退火，退火温度为1300～1500℃，退火时间为5～24h，得到Mo-Ta合金；

步骤五、机加工；

对Mo-Ta合金进行机加工制得Mo-Ta合金靶材。

2.根据权利要求1所述的Mo-Ta合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述Mo粉和Ta粉按照以下质量百分比称取：Mo粉89％～98％，Ta粉2％～11％，以上两组份的质量总和为100％。

3.根据权利要求1或2所述的Mo-Ta合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述Mo粉的费氏粒度均为2.0μm～5.0μm。

4.根据权利要求1所述的Mo-Ta合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤一所述无水乙醇的质量为所述装入球磨罐的Mo粉和部分Ta粉总质量的1.5％～3％；所述球磨时间为8～40h，球磨罐转速为220r/min。

5.根据权利要求1所述的Mo-Ta合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤二所述冷等静压具体为：在150～250MPa压力下保压6～20min。