CN113862619A - 一种锌镁靶材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及靶材技术领域，公开了一种锌镁靶材及其制备方法，其中，其制备方法包括以下步骤：将单质锌与单质镁投入真空熔炼炉内熔炼，融化后充分搅拌并保温，得到混合熔炼液；将混合熔炼液进行浇注，形成锌镁合金压料；将锌镁合金压料加热，加热后通过一号模具进行挤压，得到第一挤压料；依次采用二号模具、三号模具、···、N号模具进行挤压，得到靶材毛胚；对靶材毛坯进行机加工，得到锌镁靶材。采用本发明的制备方法制作的锌镁靶材，其内部物缺陷，致密度较高，平均晶粒小于200微米，采用此锌镁靶材进行溅射，均匀并细小的晶粒不仅有助于获得膜厚均匀统一的薄膜功能层，且可避免溅射过程中发生放电及点火现象。

Description

一种锌镁靶材及其制备方法
技术领域
本发明涉及靶材技术领域，特别是涉及一种锌镁靶材及其制备方法。
背景技术
锌镁靶材应用于太阳能薄膜电池领域，在磁控溅射过程中通入氧气与锌镁靶材溅射出的金属离子形成氧化锌镁并沉积在光伏玻璃上。然而在实际应用中，由于氧化锌镁靶材熔炼高达2000摄氏度，只能通过用粉末冶金的方式制备出氧化锌镁靶材。而此类型的粉末冶金靶材普遍内部存在缺陷，致密度不高，只有92％，在溅射过程中容易发生异常放电现象，并造成对应沉积在面板上的薄膜厚度不均。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种锌镁靶材及其制备方法，保证靶材内部无缺陷，提高锌镁靶材的致密度，避免溅射过程中发生放电现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种锌镁靶材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将单质锌与单质镁投入真空熔炼炉内熔炼，融化后充分搅拌并保温，得到混合熔炼液；
(2)将混合熔炼液进行浇注，形成锌镁合金压料；
(3)将锌镁合金压料加热，加热后通过一号模具进行挤压，得到第一挤压料；
(4)依次采用二号模具、三号模具、···、N号模具进行挤压，得到靶材毛胚；
(5)对靶材毛坯进行机加工，得到锌镁靶材。
优选地，在所述步骤(1)中，熔炼温度为550±10℃，且升温速率为20℃每分钟，熔炼炉的真空度小于0.01Pa。
优选地，在所述步骤(1)中，保温时间为15分钟。
优选地，在所述步骤(3)或(4)中，采用压头进行挤压，所述模具均包括模具本体，所述模具本体内设有挤压腔，所述挤压腔内同轴设有挤压杆。
优选地，在所述步骤(3)或(4)中，每次挤压时挤压料的形变量为3-5毫米。
优选地，在所述步骤(3)或(4)中，挤压过程中所述模具需保温在300℃，保温时间25～35分钟。
优选地，在所述步骤(3)或(4)中，挤压前需先将挤压料加热到370～385℃。
优选地，在进行机加工前需先将靶材毛坯进行退火处理，退火温度为340～350℃，退火时间为2.5-3小时。
优选地，在所述步骤(5)中，机加工以525～625RPM，进刀量0.08～0.12mm/道加工所述靶材毛坯的内径、外径以及长度，直至将靶材外部氧化皮完全去除并达到要求尺寸公差。
一种锌镁靶材，其上述锌镁靶材的制备方法制得。
与现有技术相比，其有益效果在于：采用本发明的制备方法制作的锌镁靶材，其内部物缺陷，致密度较高，平均晶粒小于200微米，采用此锌镁靶材进行溅射，均匀并细小的晶粒不仅有助于获得膜厚均匀统一的薄膜功能层，且可避免溅射过程中发生放电及点火现象。
附图说明
图1为本发明的挤压料进行挤压的示意图。
其中：1-压头，2-锌镁合金压料，3-一号模具，31-模具本体，32-挤压杆，4-N号模具，5-靶材毛坯，100-气孔缺陷。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例优选实施例的一种锌镁靶材，其镁含量为1％～10％，由以下制备方法制得，包括以下步骤：
(1)将单质锌与单质镁投入真空熔炼炉内熔炼，融化后充分搅拌并保温，得到混合熔炼液。其中，熔炼温度为550±10℃，且升温速率为20℃每分钟，熔炼炉的真空度小于0.01Pa，保温时间为15分钟。
另外，由于镁十分活泼，会在空气中由静电引起自燃，而镁的熔点为651摄氏度，锌熔点为419摄氏度，所以熔炼时需要使用氧化铝坩埚。
(2)将混合熔炼液进行浇注，形成锌镁合金压料2。浇筑时采用模具直接浇筑，得到的所述锌镁合金压料为中空圆筒形，其内部一般含有3～5mm气孔缺陷100，数量在10个以内。
(3)将锌镁合金压料2加热到370～385℃，优选380℃，加热后通过一号模具3进行挤压，得到第一挤压料。请参阅附图1，挤压采用压头1进行挤压，同时，所述模具均包括模具本体31，所述模具本体31内设有挤压腔，所述挤压腔内同轴设有挤压杆32，所述挤压杆32包括挤压部与导向部，所述导向部靠近所述压头1设置，且其朝靠近所述压头1的方向直径逐渐减小，方便所述锌镁合金压料2套入所述挤压腔内进行挤压。所述挤压腔可以为空腔，也可以为槽，相应地被挤压的挤压料可以从所述挤压腔的前端取出，也可以从其后端取出。
另外，挤压过程中所述模具需保温在300℃，保温时间25～35分钟，优选30分钟，防止锌镁合金压料与模具之间温差过大导致的粘连或者应力释放的冷裂。
(4)依次采用二号模具、三号模具、···、N号模具4进行挤压，得到靶材毛胚5；此步与步骤(3)操作方式一样，只是采用的模具大小不同。具体地，一号模具、二号模具、三号模具、···、N号模具5的所述挤压腔的内径及所述挤压杆32的外径均不同，从而在多次挤压后使得挤压料的尺寸逐渐向目标尺寸改变，同时，其内部气孔缺陷100逐渐消失，最终得到靶材毛坯。
另外，在所述步骤(3)或(4)中，每次挤压时挤压料的形变量为3-5毫米。这是经过多次反复实验总结的，形变量太大将导致挤压料被挤压破裂；形变量过小则失去内部缺陷闭合的功能，最后得不到材料内部无缺陷，性能优异的高纯锌镁圆筒。
(5)对靶材毛坯5进行机加工，得到锌镁靶材。在进行机加工前需先将靶材毛坯5进行退火处理，退火温度为340～350℃，优选350℃，退火时间为2.5-3小时，优选3小时。机加工以525～625RPM，进刀量0.08～0.12mm/道加工所述靶材毛坯的内径、外径以及长度，直至将靶材外部氧化皮完全去除并达到要求尺寸公差，最后与背管进行绑定即可。
采用本发明的制备方法制作的锌镁靶材，其内部物缺陷，致密度较高，平均晶粒小于200微米，采用此锌镁靶材进行溅射，均匀并细小的晶粒不仅有助于获得膜厚均匀统一的薄膜功能层，且可避免溅射过程中发生放电机点火现象。
另外，本发明制备方式能有效提高材料利用率。传统铸锭投料以及成品的重量比为1.8：1，也就是投入1.8Kg才能制备出1Kg的成品靶材。本发明可以有效将投料比降低至1.2～1.1.25：1，增加材料利用率，并且降低成本。
同时，本发明使用的挤压方式不同于传统热挤压机器，热挤压机器要求上料2吨，并且一台热挤压设备500吨投资超过800万，本发明中使用的挤压机器配套挤压模具投资成本在100万以内。
通过本发明制备方法的材料适用于制备1％～10％镁含量的锌镁合金，无需通过超2000度高温合成氧化锌镁靶材获得对应溅射膜层。
为更好地理解本发明，此处提供一些具体实施例：
实施例一
一种锌镁靶材，由以下制备方法制得，包括以下步骤：
(1)将单质锌与单质镁投入真空度小于0.01Pa的真空熔炼炉内熔炼，熔炼温度为550℃，融化后充分搅拌并保温15分钟；
(2)将混合熔炼浇铸在外径180，内径80mm，长度400的模具内，形成中空的锌镁合金压料；
(3)将锌镁合金压料2整体加热到370℃，在压头1的作用力下通过一号模具3，得到外径170mm，内径90mm的第一挤压料。其中，挤压过程中所述一号模具3保温在300℃，保温时间25分钟。
(4)挤压完成后将第一挤压料重新加热至370℃，保温时间25min。并采用二号模具进行挤压，重复上述步骤，直至挤压料被挤压至外径163mm，内径130mm的靶材毛胚5。
挤压过程中锌镁合金压料2的长度被拉长，晶粒同步细化，材料中的内部气孔等缺陷被闭合，致密度提高至99.2％。
(5)将靶材毛坯5进行退火处理，退火温度为340℃，退火时间为2.5小时，退火完成后对靶材毛坯5进行机加工，机加工以525RPM，进刀量0.08mm/道加工所述靶材毛坯5的内径、外径以及长度得到锌镁靶材。
经过对得到的锌镁靶材进行检测，其内部无缺陷，致密度，平均晶粒为191微米，对其进行溅射时膜厚均匀统一，无放电及点火现象。
实施例二
一种锌镁靶材，由以下制备方法制得，包括以下步骤：
(1)将单质锌与单质镁投入真空度小于0.01Pa的真空熔炼炉内熔炼，熔炼温度为560℃，融化后充分搅拌并保温15分钟；
(2)将混合熔炼浇铸在外径180，内径80mm，长度400的模具内，形成中空的锌镁合金压料；
(3)将锌镁合金压料2整体加热到380℃，在压头1的作用力下通过一号模具3，得到外径170mm，内径90mm的第一挤压料。其中，挤压过程中所述一号模具3保温在300℃，保温时间30分钟。
(4)挤压完成后将第一挤压料重新加热至380℃，保温时间30min。并采用二号模具进行挤压，重复上述步骤，直至挤压料被挤压至外径163mm，内径130mm的靶材毛胚5。
挤压过程中锌镁合金压料2的长度被拉长，晶粒同步细化，材料中的内部气孔等缺陷被闭合，致密度提高至99.5％。
(5)将靶材毛坯5进行退火处理，退火温度为350℃，退火时间为3小时，退火完成后对靶材毛坯5进行机加工，机加工以525RPM，进刀量0.1mm/道加工所述靶材毛坯5的内径、外径以及长度得到锌镁靶材。
经过对得到的锌镁靶材进行检测，其内部无缺陷，致密度，平均晶粒为186微米，对其进行溅射时膜厚均匀统一，无放电及点火现象。
实施例三
一种锌镁靶材，由以下制备方法制得，包括以下步骤：
(1)将单质锌与单质镁投入真空度小于0.01Pa的真空熔炼炉内熔炼，熔炼温度为555℃，融化后充分搅拌并保温15分钟；
(2)将混合熔炼浇铸在外径180，内径80mm，长度400的模具内，形成中空的锌镁合金压料；
(3)将锌镁合金压料2整体加热到385℃，在压头1的作用力下通过一号模具3，得到外径170mm，内径90mm的第一挤压料。其中，挤压过程中所述一号模具3保温在300℃，保温时间35分钟。
(4)挤压完成后将第一挤压料重新加热至385℃，保温时间35min。并采用二号模具进行挤压，重复上述步骤，直至挤压料被挤压至外径163mm，内径130mm的靶材毛胚5。
挤压过程中锌镁合金压料2的长度被拉长，晶粒同步细化，材料中的内部气孔等缺陷被闭合，致密度提高至99.2。
(5)将靶材毛坯5进行退火处理，退火温度为345℃，退火时间为2.8小时，退火完成后对靶材毛坯5进行机加工，机加工以525RPM，进刀量0.12mm/道加工所述靶材毛坯5的内径、外径以及长度得到锌镁靶材。
经过对得到的锌镁靶材进行检测，其内部无缺陷，致密度，平均晶粒为189微米，对其进行溅射时膜厚均匀统一，无放电及点火现象。
对比例一
此实施例与实施例一的区别在于步骤(3)、(4)中加热温度为400℃。得到的锌镁靶材出现了局部融化现象，且其屈服强度没有降低，锌镁靶材的质量较差，不满足要求。
对比例二
此实施例与实施例一的区别在于步骤(3)、(4)中保温温度为200℃，保温时间为20分钟。得到的锌镁靶材出现了局部裂痕，锌镁靶材的质量较差，不满足要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锌镁靶材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将单质锌与单质镁投入真空熔炼炉内熔炼，融化后充分搅拌并保温，得到混合熔炼液；
(2)将混合熔炼液进行浇注，形成锌镁合金压料；
(3)将锌镁合金压料加热，加热后通过一号模具进行挤压，得到第一挤压料；
(4)依次采用二号模具、三号模具、···、N号模具进行挤压，得到靶材毛胚；
(5)对靶材毛坯进行机加工，得到锌镁靶材。
2.如权利要求1所述的锌镁靶材的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，熔炼温度为550±10℃，且升温速率为20℃每分钟，熔炼炉的真空度小于0.01Pa。
3.如权利要求1所述的锌镁靶材的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，保温时间为15分钟。
4.如权利要求1所述的锌镁靶材的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)或(4)中，采用压头进行挤压，所述模具均包括模具本体，所述模具本体内设有挤压腔，所述挤压腔内同轴设有挤压杆。
5.如权利要求4所述的锌镁靶材的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)或(4)中，每次挤压时挤压料的形变量为3-5毫米。
6.如权利要求1所述的锌镁靶材的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)或(4)中，挤压过程中所述模具需保温在300℃，保温时间25～35分钟。
7.如权利要求1所述的锌镁靶材的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)或(4)中，挤压前需先将挤压料加热到370～385℃。
8.如权利要求1所述的锌镁靶材的制备方法，其特征在于：在进行机加工前需先将靶材毛坯进行退火处理，退火温度为340～350℃，退火时间为2.5-3小时。
9.如权利要求1所述的锌镁靶材的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，机加工以525～625RPM，进刀量0.08～0.12mm/道加工所述靶材毛坯的内径、外径以及长度，直至将靶材外部氧化皮完全去除并达到要求尺寸公差。
10.一种锌镁靶材，其特征在于：其由如权利要求1-9任一项所述的锌镁靶材的制备方法制得。
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