CN117840433A - 一种钨靶材二次致密化的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法包括：将烧结成型后的钨靶材坯料进行热等静压处理，所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温包括至少三段升温过程，得到钨靶材。本发明所述方法对烧结成型的低致密度的钨靶材坯料采用热等静压的方式进行二次致密化，利用热等静压的高温高压条件，使得钨的烧结颈进一步球化收缩，再加上晶粒的晶界迁移，有效提高靶材坯料的致密度，满足磁控溅射对靶材致密度的要求；所述方法通过采用梯度升温的方式，有效控制靶材坯料中晶粒的生长幅度，晶粒尺寸均匀且细小，使得内部组织结构更加均匀，工艺稳定性较强；所述方法操作简便，效果显著，成本较低，应用范围较广。
Description
技术领域
本发明属于靶材制备技术领域，涉及一种钨靶材二次致密化的制备方法。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，溅射靶材作为薄膜材料制备的原材料，在芯片制造、太阳能电池、LCD制造等行业均有广泛的应用。例如，在芯片制造工艺中，芯片制程不断向霍尔效应的极限逼近，由此面临集成电路的临界线宽不断减小，对电极材料的要求不断提高，要求其具备高电导率、高密度、耐高温等特性。目前，集成电路用芯片中阻挡层的常用材料为高纯钨，阻挡层作为薄膜材料，其性能与溅射法制备时所用的溅射源有关，对钨作为溅射源时致密度的要求较高，由此涉及到钨靶材的制备工艺。
溅射靶材一般采用粉末冶金法经烧结成型获得，其制备的材料或产品具有独特的化学组成和机械、物理性能，而上述性能采用传统的熔铸方法却难以获得。高纯钨通常采用无压或热压烧结的方式进行成型，但由于钨自身的物理特性，导致其经过烧结后致密度难以达到99％以上，而且，采用现有的粉末冶金工艺制作的钨靶材，其内部组织结构的均匀性和晶粒尺寸无法满足要求越来越高的溅射工艺，因此需要对一次烧结后的坯料进行二次烧结，进一步提高其致密度，称之为二次致密化。
热等静压是将制品置于密闭容器中，施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。CN 103567443A公开了一种钨靶材的制作方法，该制作方法包括：提供钨粉末；采用热压工艺将钨粉末烧结成型，形成钨靶材坯料；完成烧结成型后，采用热等静压工艺将钨靶材坯料进行致密化处理形成钨靶材。该方法即是采用先热压烧结，再热等静压的方式制备靶材，但对于热等静压的工艺并未有效控制，以快速升温的方式容易造成靶坯的变形，内部组织结构不均匀，致密效果不稳定的问题。
CN 103567444A公开了一种钨靶材的制作方法，该制作方法包括：提供钨粉末；将钨粉末放入包套并抽真空；采用冷等静压工艺将包套内的钨粉末进行第一次致密化处理，形成第一钨靶材坯料；然后去除包套，采用感应烧结工艺将第一钨靶材坯料进行第二次致密化处理，形成第二钨靶材坯料；第二次致密化处理后，采用热等静压工艺将第二钨靶材坯料进行第三次致密化处理，形成钨靶材。该方法采用冷等静压成型、无压烧结和热等静压烧结相结合的方式制备钨靶材，但对于热等静压工艺的并未准确调控，仍采用一段快速升温的方法，容易造成靶材的变形，且无法控制晶粒的生长，晶粒尺寸较大。
综上所述，对于高致密度钨靶材的制备，通常需要在烧结成型的基础上，再进行二次致密化，并控制二次致密化的工艺调控过程，既能够提高靶材的致密度，又能够保证靶材内部组织的均匀性，控制晶粒的生长幅度，保证工艺的稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述方法对烧结成型的低致密度的钨靶材采用热等静压的方式进行二次致密化，尤其是通过采用梯度升温的方式，控制靶材坯料中晶粒的生长幅度，保证内部组织结构的均匀性，进一步提高致密度，并保证工艺的稳定性，使得致密化效果稳定，满足磁控溅射对靶材致密度的要求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料进行热等静压处理，所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温包括至少三段升温过程，得到钨靶材。
本发明中，对于高致密度钨靶材的制备，由于钨材料的特性，现有的烧结成型的方式得到的靶材致密度难以满足要求，本发明中采用热等静压的方式进行二次致密化，利用热等静压的高温高压条件，使得钨的烧结颈进一步球化收缩，再加上晶粒的晶界迁移，有效提高靶材坯料的致密度，并通过采用梯度升温的方式，有效控制靶材坯料中晶粒的生长幅度，晶粒尺寸均匀且细小，使得内部组织结构更加均匀，致密度极高，工艺稳定性较强，有效满足磁控溅射对靶材致密度的要求；所述方法操作简便，效果显著，成本较低，应用范围较广。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述钨靶材坯料由钨粉末经热压烧结或无压烧结的方式制备得到。
优选地，采用无压烧结的方式时，钨粉末先经冷等静压成型。
优选地，所述钨粉末的纯度为5N以上，例如5N、5N2、5N5、5N8或6N等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述钨靶材坯料的致密度达到95％以上，例如95％、95.2％、95.4％、95.5％、95.6％、95.8％或96％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述钨靶材坯料进行热等静压处理前，先进行表面加工，保证靶材坯料的表面规整。
优选地，所述表面加工包括研磨。
本发明中，所述表面加工为使用磨床对坯料表面进行加工，所用砂轮的目数不小于80目，砂轮材质为金刚石。
优选地，所述热等静压处理采用热等静压设备进行。
优选地，所述钨靶材坯料置于热等静压设备内之后，采用碳材料进行隔离。
优选地，所述碳材料包括石墨、碳化硼或碳碳复合材料中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：石墨和碳化硼的组合，碳化硼和碳碳复合材料的组合，石墨、碳化硼和碳碳复合材料等，优选为石墨垫块或石墨盘。
作为本发明优选的技术方案，所述钨靶材坯料置于热等静压设备内之后，将热等静压设备抽真空，再充入保护性气体。
优选地，所述抽真空后热等静压设备内的压力降至100Pa以下，例如100Pa、90Pa、80Pa、70Pa、60Pa、50Pa、40Pa、30Pa、20Pa或10Pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述充入保护性气体后热等静压设备内的压力为20～30MPa，例如20MPa、22MPa、25MPa、27MPa或30MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述保护性气体包括惰性气体和/或氮气。
作为本发明优选的技术方案，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温。
优选地，所述热等静压处理的温度为1600～1830℃，例如1600℃、1650℃、1700℃、1750℃、1800℃或1830℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；压力为120～210MPa，例如120MPa、130MPa、140MPa、150MPa、160MPa、170MPa、180MPa、190MPa、200MPa或210MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；时间为5～10h，例如5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h、9.5h或10h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述梯度升温的一段升温过程为升温至900～1100℃，例如900℃、950℃、980℃、1000℃、1020℃、1050℃或1100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；保温45～75min，例如45min、50min、55min、60min、65min、70min或75min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述一段升温过程的升温速率为8～12℃/min，例如8℃/min、8.5℃/min、9℃/min、9.5℃/min、10℃/min、10.5℃/min、11℃/min、11.5℃/min或12℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述一段升温后的压力为110～130MPa，例如110MPa、115MPa、120MPa、125MPa或130MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述热等静压的升温过程中，压力会随着气体的膨胀增加，升温后的压力若是不在要求范围内，压力偏低则需要继续泵入气体加压，若压力偏高则需要放气卸压。
优选地，所述梯度升温的二段升温过程为升温至1500～1600℃，例如1500℃、1520℃、1540℃、1550℃、1560℃、1580℃或1600℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；保温80～100min，例如80min、85min、90min、95min、100min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述二段升温过程的升温速率为4～6℃/min，例如4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.5℃/min或6℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述二段升温后的压力为140～160MPa，例如140MPa、145MPa、150MPa、155MPa或160MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述梯度升温的三段升温过程为升温至1600～1700℃，例如1600℃、1620℃、1640℃、1650℃、1660℃、1680℃或1700℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；保温100～150min，例如100min、105min、110min、115min、120min、125min、130min、135min、140min或150min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述三段升温过程的升温速率为2～4℃/min，例如2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min或4℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述三段升温后的压力为170～190MPa，例如170MPa、175MPa、180MPa、185MPa或190MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压处理的目标温度超过1700℃时，例如1700℃、1720℃、1750℃、1790℃、1800℃或1830℃等，所述梯度升温还包括四段升温过程。
优选地，所述四段升温过程为升温至1790～1830℃，例如1790℃、1800℃、1810℃、1820℃或1830℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；保温5～8h，例如5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h或8h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述四段升温过程的升温速率为2～4℃/min，例如2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min或4℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述四段升温后的压力为190～210MPa，例如190MPa、192MPa、194MPa、196MPa、198MPa、200MPa、203MPa、205MPa或210MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述多段升温过程中，后一段的升温速率不高于前一段的升温速率，可以避免在较高温度下因升温速率过快，而造成靶坯变形的问题，有助于控制晶粒的生长速率，保证原子扩散的均匀性，有助于靶材的致密度及均匀性的提高。
作为本发明优选的技术方案，所述热等静压保温保压结束后，先随炉降温，再冷却降温。
优选地，所述随炉降温至700～900℃后，例如700℃、750℃、800℃、850℃或900℃等，再采用保护气吹扫的方式冷却降温。
优选地，所述随炉降温的降温速率不大于3℃/min，例如3℃/min、2.8℃/min、2.5℃/min、2.2℃/min、2℃/min、1.8℃/min或1.5℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；所述冷却降温的降温速率不大于5℃/min，例如5℃/min、4.8℃/min、4.5℃/min、4.2℃/min、4℃/min、3.8℃/min或3.5℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述热等静压结束后，降温至100℃以下后取出钨靶材，例如100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃或30℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述钨靶材进行表面处理，所述表面处理包括磨床加工和/或线切割。
本发明中，所述钨靶材坯料经过二次致密化，尺寸会发生收缩，与垫块接触的位置可能出现不同程度的凹陷、渗碳层等，因此根据表面平整度及渗碳层深度的不同，进行后续的表面处理。
优选地，所述钨靶材的致密度达到99％以上，例如99％、99.1％、99.2％、99.3％、99.4％、99.5％、99.6％、99.7％、99.8％或99.9％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，经过二次致密化得到的钨靶材可采用排水法检测致密度，以确定其是否达到致密度的要求。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料先进行表面加工，所述钨靶材坯料由钨粉末经热压烧结或无压烧结的方式制备得到，所述表面加工包括研磨，再进行热等静压处理，所述热等静压处理采用热等静压设备进行，所述钨靶材坯料置于热等静压设备内之后，将热等静压设备抽真空至压力降至100Pa以下，再充入保护性气体至压力为20～30MPa；
所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温，所述热等静压处理的温度为1600～1830℃，压力为120～210MPa，时间为5～10h；所述梯度升温的一段升温过程为升温至900～1100℃，保温45～75min，升温速率为8～12℃/min，一段升温后的压力为110～130MPa；所述梯度升温的二段升温过程为升温至1500～1600℃，保温80～100min，升温速率为4～6℃/min，二段升温后的压力为140～160MPa；所述梯度升温的三段升温过程为升温至1600～1700℃，保温100～140min，升温速率为2～4℃/min，三段升温后的压力为170～190MPa；所述热等静压处理的目标温度超过1700℃时，所述梯度升温还包括四段升温过程，所述四段升温过程为升温至1790～1830℃，保温5～8h，升温速率为2～4℃/min，四段升温后的压力为190～210MPa；保温保压结束后，先随炉降温至700～900℃，再采用保护气吹扫的方式冷却降温，随炉降温的降温速率不大于3℃/min，所述冷却降温的降温速率不大于5℃/min，降温至100℃以下后取出钨靶材，再经表面处理得到钨靶材，所述钨靶材的致密度达到99％以上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述方法对烧结成型的低致密度的钨靶材坯料采用热等静压的方式进行二次致密化，利用热等静压的高温高压条件，使得钨的烧结颈进一步球化收缩，再加上晶粒的晶界迁移，有效提高靶材坯料的致密度，可以达到99％以上，有效满足磁控溅射对靶材致密度的要求；
(2)本发明所述方法通过采用梯度升温的方式，有效控制靶材坯料中晶粒的生长幅度，晶粒尺寸均匀且细小，控制在17～24μm范围内，使得内部组织结构更加均匀，工艺稳定性较强；
(3)本发明所述方法操作简便，效果显著，成本较低，应用范围较广。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料先进行表面加工，所述钨靶材坯料由钨粉末经热压烧结的方式制备得到，所述钨粉末的纯度为5N，所述表面加工为研磨，再进行热等静压处理，所述热等静压处理采用热等静压炉进行，所述钨靶材坯料置于热等静压炉内之后，采用石墨垫块进行隔离，将热等静压炉抽真空至压力降至100Pa，再充入氩气至压力为25MPa；
所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温，所述梯度升温的一段升温过程为升温至1000℃，保温60min，升温速率为10℃/min，一段升温后的压力为120MPa；所述梯度升温的二段升温过程为升温至1550℃，保温90min，升温速率为5℃/min，二段升温后的压力为150MPa；所述梯度升温的三段升温过程为升温至1650℃，保温120min，升温速率为3℃/min，三段升温后的压力为180MPa；所述四段升温过程为升温至1800℃，保温6h，升温速率为3℃/min，四段升温后的压力为200MPa；保温保压结束后，先随炉降温至800℃，再采用氩气吹扫的方式冷却降温，随炉降温的降温速率为3℃/min，所述冷却降温的降温速率为5℃/min，降温至90℃后取出钨靶材，再进行表面处理，所述表面处理为磨床加工和线切割，得到钨靶材。
将本实施例中制备的钨靶材进行性能测试，采用排水法测定靶材的致密度，采用直线截点法测定靶材的晶粒尺寸。
本实施例中，采用上述方法将靶材坯料二次致密化制备钨靶材，经检测，其致密度为99.8％，晶粒尺寸可控制在20μm左右，能够满足磁控溅射对靶材致密度的要求。
实施例2：
本实施例提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料先进行表面加工，所述钨靶材坯料由钨粉末经热压烧结的方式制备得到，所述钨粉末的纯度为5N，所述表面加工为研磨，再进行热等静压处理，所述热等静压处理采用热等静压炉进行，所述钨靶材坯料置于热等静压炉内之后，采用石墨垫块进行隔离，将热等静压炉抽真空至压力降至80Pa，再充入氩气至压力为15MPa；
所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温，所述梯度升温的一段升温过程为升温至900℃，保温75min，升温速率为8℃/min，一段升温后的压力为110MPa；所述梯度升温的二段升温过程为升温至1500℃，保温100min，升温速率为4℃/min，二段升温后的压力为140MPa；所述梯度升温的三段升温过程为升温至1600℃，保温140min，升温速率为2℃/min，三段升温后的压力为170MPa；所述四段升温过程为升温至1790℃，保温5h，升温速率为2℃/min，四段升温后的压力为205MPa；保温保压结束后，先随炉降温至850℃，再采用氩气吹扫的方式冷却降温，随炉降温的降温速率为2.5℃/min，所述冷却降温的降温速率为4℃/min，降温至100℃后取出钨靶材，再进行表面处理，所述表面处理为磨床加工和线切割，得到钨靶材。
将本实施例中制备的钨靶材进行性能测试，测试方法与实施例1中的方法相同。
本实施例中，采用上述方法将靶材坯料二次致密化制备钨靶材，经检测，其致密度为99.7％，晶粒尺寸可控制在22μm左右，能够满足磁控溅射对靶材致密度的要求。
实施例3：
本实施例提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料先进行表面加工，所述钨靶材坯料由钨粉末依次经冷等静压成型、无压烧结的方式制备得到，所述钨粉末的纯度为5N5，所述表面加工为研磨，再进行热等静压处理，所述热等静压处理采用热等静压炉进行，所述钨靶材坯料置于热等静压炉内之后，采用石墨盘进行隔离，将热等静压炉抽真空至压力降至90Pa，再充入氮气至压力为25MPa；
所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温，所述梯度升温的一段升温过程为升温至1100℃，保温45min，升温速率为12℃/min，一段升温后的压力为130MPa；所述梯度升温的二段升温过程为升温至1600℃，保温80min，升温速率为6℃/min，二段升温后的压力为160MPa；所述梯度升温的三段升温过程为升温至1700℃，保温100min，升温速率为4℃/min，三段升温后的压力为190MPa；所述四段升温过程为升温至1830℃，保温5.5h，升温速率为4℃/min，四段升温后的压力为210MPa；保温保压结束后，先随炉降温至900℃，再采用氮气吹扫的方式冷却降温，随炉降温的降温速率为3℃/min，所述冷却降温的降温速率为4.5℃/min，降温至80℃后取出钨靶材，再进行表面处理，所述表面处理为磨床加工，得到钨靶材。
将本实施例中制备的钨靶材进行性能测试，测试方法与实施例1中的方法相同。
本实施例中，采用上述方法将靶材坯料二次致密化制备钨靶材，经检测，其致密度为99.6％，晶粒尺寸可控制在18μm左右，能够满足磁控溅射对靶材致密度的要求。
实施例4：
本实施例提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料先进行表面加工，所述钨靶材坯料由钨粉末依次经冷等静压成型、无压烧结的方式制备得到，所述钨粉末的纯度为5N5，所述表面加工为研磨，再进行热等静压处理，所述热等静压处理采用热等静压炉进行，所述钨靶材坯料置于热等静压炉内之后，采用石墨盘进行隔离，将热等静压炉抽真空至压力降至95Pa，再充入氮气至压力为18MPa；
所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温，所述梯度升温的一段升温过程为升温至1050℃，保温50min，升温速率为11℃/min，一段升温后的压力为125MPa；所述梯度升温的二段升温过程为升温至1580℃，保温85min，升温速率为5.5℃/min，二段升温后的压力为155MPa；所述梯度升温的三段升温过程为升温至1700℃，保温8h，升温速率为3℃/min，三段升温后的压力为185MPa；保温保压结束后，先随炉降温至850℃，再采用氮气吹扫的方式冷却降温，随炉降温的降温速率为2℃/min，所述冷却降温的降温速率为5℃/min，降温至95℃后取出钨靶材，再进行表面处理，所述表面处理为磨床加工和线切割，得到钨靶材。
将本实施例中制备的钨靶材进行性能测试，测试方法与实施例1中的方法相同。
本实施例中，采用上述方法将靶材坯料二次致密化制备钨靶材，经检测，其致密度为99.5％，晶粒尺寸可控制在24μm左右，能够满足磁控溅射对靶材致密度的要求。
实施例5：
本实施例提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料先进行表面加工，所述钨靶材坯料由钨粉末经热压烧结的方式制备得到，所述钨粉末的纯度为6N，所述表面加工为研磨，再进行热等静压处理，所述热等静压处理采用热等静压炉进行，所述钨靶材坯料置于热等静压炉内之后，采用石墨垫块进行隔离，将热等静压炉抽真空至压力降至85Pa，再充入氩气至压力为22MPa；
所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温，所述梯度升温的一段升温过程为升温至950℃，保温70min，升温速率为9℃/min，一段升温后的压力为115MPa；所述梯度升温的二段升温过程为升温至1530℃，保温95min，升温速率为4.5℃/min，二段升温后的压力为145MPa；所述梯度升温的三段升温过程为升温至1680℃，保温7h，升温速率为2.5℃/min，三段升温后的压力为180MPa；保温保压结束后，先随炉降温至750℃，再采用氩气吹扫的方式冷却降温，随炉降温的降温速率为2.2℃/min，所述冷却降温的降温速率为3.5℃/min，降温至85℃后取出钨靶材，再进行表面处理，所述表面处理为线切割，得到钨靶材。
将本实施例中制备的钨靶材进行性能测试，测试方法与实施例1中的方法相同。
本实施例中，采用上述方法将靶材坯料二次致密化制备钨靶材，经检测，其致密度为99.6％，晶粒尺寸可控制在23μm左右，能够满足磁控溅射对靶材致密度的要求。
实施例6：
本实施例提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：三段升温和四段升温的升温速率为5℃/min。
本实施例中，由于热等静压升温过程中，在温度较高的三段和四段升温中，升温速率偏高，晶粒尺寸的生长难以有效控制，晶粒尺寸可达到30μm左右。
对比例1：
本对比例提供了一种钨靶材二次致密化的制备方法，所述制备方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：热等静压不采用梯度升温的方式，只控制一段升温，升温速率为8℃/min。
本对比例中，由于热等静压处理时未采用梯度升温的方式，全程升温速率较快，容易造成靶材坯料的变形，造成致密化效果不稳定，此时的靶材致密度为98.2％，晶粒的生长难以有效控制，晶粒尺寸可达到50μm左右。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述方法对烧结成型的低致密度的钨靶材坯料采用热等静压的方式进行二次致密化，利用热等静压的高温高压条件，使得钨的烧结颈进一步球化收缩，再加上晶粒的晶界迁移，有效提高靶材坯料的致密度，可以达到99％以上，有效满足磁控溅射对靶材致密度的要求；所述方法通过采用梯度升温的方式，有效控制靶材坯料中晶粒的生长幅度，晶粒尺寸均匀且细小，控制在17～24μm范围内，使得内部组织结构更加均匀，工艺稳定性较强；所述方法操作简便，效果显著，成本较低，应用范围较广。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明方法的等效替换及辅助步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种钨靶材二次致密化的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料进行热等静压处理，所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温包括至少三段升温过程，得到钨靶材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钨靶材坯料由钨粉末经热压烧结或无压烧结的方式制备得到；
优选地，采用无压烧结的方式时，钨粉末先经冷等静压成型；
优选地，所述钨粉末的纯度为5N以上；
优选地，所述钨靶材坯料的致密度达到95％以上。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述钨靶材坯料进行热等静压处理前，先进行表面加工；
优选地，所述表面加工包括研磨；
优选地，所述热等静压处理采用热等静压设备进行；
优选地，所述钨靶材坯料置于热等静压设备内之后，采用碳材料进行隔离；
优选地，所述碳材料包括石墨、碳化硼或碳碳复合材料中任意一种或至少两种的组合，优选为石墨垫块或石墨盘。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钨靶材坯料置于热等静压设备内之后，将热等静压设备抽真空，再充入保护性气体；
优选地，所述抽真空后热等静压设备内的压力降至100Pa以下；
优选地，所述充入保护性气体后热等静压设备内的压力为20～30MPa；
优选地，所述保护性气体包括惰性气体和/或氮气。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温；
优选地，所述热等静压处理的温度为1600～1830℃，压力为120～210MPa，时间为5～10h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述梯度升温的一段升温过程为升温至900～1100℃，保温45～75min；
优选地，所述一段升温过程的升温速率为8～12℃/min；
优选地，所述一段升温后的压力为110～130MPa；
优选地，所述梯度升温的二段升温过程为升温至1500～1600℃，保温80～100min；
优选地，所述二段升温过程的升温速率为4～6℃/min；
优选地，所述二段升温后的压力为140～160MPa。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述梯度升温的三段升温过程为升温至1600～1700℃，保温100～150min；
优选地，所述三段升温过程的升温速率为2～4℃/min；
优选地，所述三段升温后的压力为170～190MPa；
优选地，所述热等静压处理的目标温度超过1700℃时，所述梯度升温还包括四段升温过程；
优选地，所述四段升温过程为升温至1790～1830℃，保温5～8h；
优选地，所述四段升温过程的升温速率为2～4℃/min；
优选地，所述四段升温后的压力为190～210MPa。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压保温保压结束后，先随炉降温，再冷却降温；
优选地，所述随炉降温至700～900℃后，再采用保护气吹扫的方式冷却降温；
优选地，所述随炉降温的降温速率不大于3℃/min，所述冷却降温的降温速率不大于5℃/min。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压结束后，降温至100℃以下后取出钨靶材；
优选地，所述钨靶材进行表面处理，所述表面处理包括磨床加工和/或线切割；
优选地，所述钨靶材的致密度达到99％以上。
10.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
将烧结成型后的钨靶材坯料先进行表面加工，所述钨靶材坯料由钨粉末经热压烧结或无压烧结的方式制备得到，所述表面加工包括研磨，再进行热等静压处理，所述热等静压处理采用热等静压设备进行，所述钨靶材坯料置于热等静压设备内之后，将热等静压设备抽真空至压力降至100Pa以下，再充入保护性气体至压力为20～30MPa；
所述热等静压采用梯度升温的方式，所述梯度升温是匀速率升温-保温的过程交替进行，直至升温至目标温度后保温，所述热等静压处理的温度为1600～1830℃，压力为120～210MPa，时间为5～10h；所述梯度升温的一段升温过程为升温至900～1100℃，保温45～75min，升温速率为8～12℃/min，一段升温后的压力为110～130MPa；所述梯度升温的二段升温过程为升温至1500～1600℃，保温80～100min，升温速率为4～6℃/min，二段升温后的压力为140～160MPa；所述梯度升温的三段升温过程为升温至1600～1700℃，保温100～140min，升温速率为2～4℃/min，三段升温后的压力为170～190MPa；所述热等静压处理的目标温度超过1700℃时，所述梯度升温还包括四段升温过程，所述四段升温过程为升温至1790～1830℃，保温5～8h，升温速率为2～4℃/min，四段升温后的压力为190～210MPa；保温保压结束后，先随炉降温至700～900℃，再采用保护气吹扫的方式冷却降温，随炉降温的降温速率不大于3℃/min，所述冷却降温的降温速率不大于5℃/min，降温至100℃以下后取出钨靶材，再经表面处理得到钨靶材，所述钨靶材的致密度达到99％以上。
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