1.本发明涉及靶材领域，具体涉及一种钽钛合金靶材的制备方法。


背景技术：

2.钽钛合金靶材中的钽和钛都属于高温金属，通常采用粉末冶金烧结的方式制作靶材。在靶材制作过程中因设备限制导致温度无法达到要求，进而无法使靶材更加致密化，所得靶材中通常存在气孔较多、成分不均等微观缺陷，无法达到磁控溅射的要求。
3.同时，靶材的纯度直接影响了溅射薄膜的性能，若靶材中杂质含量比较高，容易在溅射时引入杂质，导致溅射薄膜回路发生短路；杂质也会在薄膜中引入突起物，降低溅射薄膜的使用性能。靶材中常见的杂质主要有o、c、h等，在薄膜溅射过程中，o、c、h等杂质的存在容易在溅射过程发生放电，降低溅射薄膜的均匀性。
4.cn110952064a公开了一种钽硅合金溅射靶材及其制备方法，该方法通过将钽粉和硅粉混合，之后依次进行冷等静压处理、脱气处理、热等静压处理和机加工，得到钽硅合金溅射靶材。由于钽粉中o、c、h等杂质的含量比较高，该方法没有对靶材中的杂质进行去除，所以得到的钽硅合金溅射靶材的纯度比较低。
5.cn112111714a公开了一种钽铝合金溅射靶材的制备方法，该方法通过将钽粉和铝粉混合，之后进行热压烧结处理和机加工，得到钽铝合金溅射靶材。由于钽属于高温金属，所以该方法的烧结温度比较高，并且所得靶材的致密度比较低。
6.因此，如何提升钽钛合金靶材的致密度和纯度，降低靶材的杂质含量，是当前需要解决的问题。


技术实现要素：

7.针对以上问题，本发明的目的在于提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与现有技术相比，本发明提供的钽钛合金靶材的制备方法可以有效解决靶材内部存在孔洞、成分不均等问题，提高靶材的致密度和纯度，使内部组织结构良好。
8.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明提供一种钽钛合金靶材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
10.(1)将钽粉和钛粉分别进行第一热处理和第二热处理后混合，得到钽钛混合粉末；
11.(2)将步骤(1)得到的所述钽钛混合粉末依次进行包套脱气和冷等静压处理，得到钽钛压坯；
12.(3)将步骤(2)得到的所述钽钛压坯依次进行第三热处理和热等静压处理，得到钽钛合金靶材；
13.步骤(1)所述第一热处理和第二热处理没有先后顺序关系。
14.本发明中，通过将钽粉和钛粉先分别进行第一热处理和第二热处理，可以脱除钽粉和钛粉中含有的h杂质，提升钽钛靶材产品的纯度，进一步通过包套脱气和冷等静压处理可以使靶材预成型，之后经过第三热处理可以进一步脱除靶材中含有的o杂质，再通过热等
静压处理进一步提升靶材的致密度。本发明提供的制备方法相较于传统靶材的制备方法，通过第一热处理、第二热处理和第三热处理，可以有效去除靶材中含有的h和o等杂质，使靶材的纯度达到99.95％以上；由于钽和钛等高温金属需要很高的烧结温度，本发明通过三次热处理降低了传统靶材制备过程中的热处理温度，降低了设备要求，并且使所得钽钛合金靶材的致密度达到99％以上。
15.优选地，步骤(1)所述钽粉的粒度为＜46μm，例如可以是45μm、42μm、40μm、38μm、34μm、32μm、30μm、28μm、26μm、24μm、22μm、20μm、18μm、16μm、14μm、12μm或10μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
16.本发明优选控制钽粉的粒度在特定范围，可以保证粉末的装实密度，提升靶材的致密度，同时可以使靶材内部结构更加均匀。
17.优选地，所述钽粉的纯度为≥99.95％，例如可以是99.95％、99.96％、99.97％、99.98％、99.99％、99.991％、99.992％、99.993％、99.994％或99.995％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
18.优选地，所述钛粉的粒度为＜48μm，例如可以是46μm、44μm、42μm、40μm、38μm、36μm、34μm、32μm、30μm、28μm、26μm、24μm、22μm、20μm、18μm、16μm、14μm、12μm或10μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
19.本发明优选控制钛粉的粒度在特定范围，可以保证粉末的装实密度，提升靶材的致密度，同时可以使靶材内部结构更加均匀。
20.优选地，所述钛粉的纯度为≥99.98％，例如可以是99.98％、99.99％、99.991％、99.992％、99.993％、99.994％或99.995％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
21.优选地，步骤(1)所述第一热处理的温度为850-900℃，例如可以是850℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
22.本发明优选控制第一热处理的温度在特定范围，可以避免晶粒长大，使靶材内部结构更加均匀。
23.优选地，所述第二热处理的温度为700-800℃，例如可以是700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃或800℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
24.本发明优选控制第二热处理的温度在特定范围，可以避免晶粒长大，使靶材内部结构更加均匀。
25.优选地，步骤(1)所述混合中钽粉与钛粉的原子比为(0.9-1.2):1，例如可以是0.9:1、1:1、1.1:1或1.2:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
26.优选地，步骤(1)所述混合的方式包括球磨。
27.优选地，所述球磨中钽钛混合粉末与磨球的质量比为(9-11):1，例如可以是9:1、9.5:1、10:1、10.5:1或11:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
28.优选地，所述磨球包括钛球和/或钽球。
29.本发明优选磨球为钛球和/或钽球，可以避免在混粉过程中引入其他杂质，同时本发明所述球磨时，所用球磨机的内衬为聚氨酯或钛材料，可以进一步避免在混粉过程中引入其他杂质。
30.优选地，所述混合的时间≥48h，例如可以是48h、50h、52h、54h、56h、58h、60h、62h、64h、66h、68h或70h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
31.本发明中优选控制混合的时间在特定范围，可以使钽粉和钛粉充分混合均匀，避免大颗粒团聚。
32.优选地，所述混合的气氛包括氮气和/或惰性气体。
33.本发明中优选控制混合的气氛包括氮气和/或惰性气体，可以避免气体对粉末的纯度产生影响，所述混合气氛优选为氩气。
34.本发明中，混合结束后，随机取钽钛混合粉末3份以上，对其中钛元素的原子百分含量进行检测，钛的原子百分含量波动为
±
10％，则证明钽钛混合粉末混合均匀。
35.优选地，步骤(2)所述包套脱气包括将钽钛混合粉末放入模具中进行脱气。
36.优选地，所述模具的顶部设置脱气管。
37.优选地，所述脱气管口与粉末之间设置隔离层。
38.优选地，所述隔离层包括沿粉末的外表面依次设置的第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层。
39.本发明中，将钽钛混合粉末装填入顶部设置脱气管的模具中，在接触脱气管口的粉末与脱气管口之间设置隔离层，可以防止抽气过程中将模具中的粉末抽出。
40.优选地，所述第一隔离层的材质包括石墨。
41.优选地，所述第二隔离层的材质包括玻璃棉。
42.优选地，所述第三隔离层的材质包括石墨。
43.本发明中，优选控制脱气管口与粉末之间设置第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层，可以在后续的第三热处理过程中与压坯脱除的氧结合，有利于脱除压坯中含有的o杂质，提升靶材的纯度，所述石墨的纯度≥99.999％。
44.优选地，所述包套脱气的温度为500-600℃，例如可以是500℃、520℃、540℃、560℃、580℃或600℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
45.优选地，所述包套脱气的时间为8-20h，例如可以是8h、10h、12h、14h、16h、18h或20h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
46.优选地，所述包套脱气的终点为绝对真空度≤0.003pa，例如可以是0.003pa、0.002pa、0.001pa、0.0008pa、0.0006pa、0.0004pa或0.0002pa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
47.优选地，步骤(2)所述冷等静压处理的压力为130-170mpa，例如可以是130mpa、135mpa、140mpa、145mpa、150mpa、155mpa、160mpa、165mpa或170mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为150-160mpa。
48.本发明中优选控制冷等静压处理的压力在特定范围，可以使靶材预成型并初步致密化。
49.优选地，所述冷等静压处理的时间为10-20分钟，例如可以是10分钟、11分钟、12分钟、13分钟、14分钟、15分钟、16分钟、17分钟、18分钟、19分钟或20分钟，但不限于所列举的
数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为15-18分钟。
50.优选地，步骤(3)所述第三热处理的温度为900-1000℃，例如可以是900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃、990℃或1000℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
51.本发明中，优选控制第三热处理的温度在特定范围，可以避免靶材受热温度过高，造成晶粒长大，同时可以有效去除靶材中含有的o杂质，提升靶材的纯度。
52.优选地，步骤(3)所述热等静压处理的温度为1200-1300℃，例如可以是1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃或1300℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
53.本发明中，优选控制热等静压处理的温度在特定范围，可以使靶材更加致密化，致密度更高。
54.优选地，所述热等静压处理的压力为130-150mpa，例如可以是130mpa、132mpa、134mpa、136mpa、138mpa、140mpa、142mpa、144mpa、146mpa、148mpa或150mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
55.本发明中，优选控制热等静压处理的压力在特定范围，可以使靶材更加致密化，致密度更高。
56.优选地，所述热等静压处理的时间为3-5h，例如可以是3h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h、4.2h、4.4h、4.6h、4.8h或5h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
57.作为本发明的优选技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
58.(1)将粒度＜46μm，纯度≥99.95％的钽粉在850-900℃下进行第一热处理，将粒度＜48μm，纯度≥99.98％的钛粉在700-800℃下进行第二热处理，之后将所得钽粉和钛粉按原子比为(0.9-1.2):1进行球磨，得到钽钛混合粉末，所述球磨中钽钛混合粉末与磨球的质量比为(9-11):1，所述球磨的磨球包括钛球和/或钽球，所述球磨的时间≥48h，所述球磨的气氛包括氮气和/或惰性气体；
59.(2)将步骤(1)得到的所述钽钛混合粉末放入模具中，在500-600℃下脱气处理8-20h直至绝对真空度≤0.003pa，之后在130-170mpa下冷等静压处理10-20分钟，得到钽钛压坯；所述模具的顶部设置脱气管，所述脱气管口与粉末之间沿粉末的外表面依次设置第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层，所述第一隔离层的材质包括石墨，所述第二隔离层的材质包括玻璃棉，所述第三隔离层的材质包括石墨；
60.(3)将步骤(2)得到的所述钽钛压坯在900-1000℃下进行第三热处理，之后在1200-1300℃，130-150mpa下热等静压处理3-5h，得到钽钛合金靶材。
61.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
62.(1)本发明提供的钽钛合金靶材的制备方法可以有效解决靶材内部存在孔洞、成分不均等问题，可以提升靶材的致密度到99％以上。
63.(2)本发明提供的钽钛合金靶材的制备方法可以降低靶材中h、o等杂质元素的含量，提升靶材的纯度至99.95％以上。
附图说明
64.图1是本发明具体实施方式中钽钛合金靶材制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
65.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。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。
66.具体提供一种钽钛合金靶材的制备方法，如图1所示，将钽粉和钛粉分别进行第一热处理和第二热处理后混合，得到钽钛混合粉末；将所述钽钛混合粉末依次进行包套脱气、冷等静压处理、第三热处理和热等静压处理，得到钽钛合金靶材。
67.实施例1
68.本实施例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
69.(1)将粒度为10-20μm，纯度为99.95％的钽粉在880℃下进行第一热处理，将粒度为10-20μm，纯度为99.98％的钛粉在750℃下进行第二热处理，之后将所得钽粉和钛粉按原子比为1:1进行球磨，得到钽钛混合粉末，所述球磨中钽钛混合粉末与磨球的质量比为10:1，所述球磨的磨球为钛球，所述球磨的时间为60h，所述球磨的气氛为氩气；
70.(2)将步骤(1)得到的所述钽钛混合粉末放入模具中，在550℃下脱气处理14h直至绝对真空度为0.001pa，之后在150mpa下冷等静压处理15分钟，得到钽钛压坯；所述模具的顶部设置脱气管，所述脱气管口与粉末之间沿粉末的外表面依次设置第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层，所述第一隔离层的材质为石墨，所述第二隔离层的材质为玻璃棉，所述第三隔离层的材质为石墨；
71.(3)将步骤(2)得到的所述钽钛压坯在950℃下进行第三热处理，之后在1250℃，140mpa下热等静压处理4h，得到钽钛合金靶材。
72.实施例2
73.本实施例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
74.(1)将粒度为20-30μm，纯度为99.95％的钽粉在850℃进行第一热处理，将粒度为20-30μm，纯度为99.98％的钛粉在700℃下进行第二热处理，之后将所得钽粉和钛粉按原子比为0.9:1进行球磨，得到钽钛混合粉末，所述球磨中钽钛混合粉末与磨球的质量比为11:1，所述球磨的磨球为钛球，所述球磨的时间为50h，所述球磨的气氛为氮气；
75.(2)将步骤(1)得到的所述钽钛混合粉末放入模具中，在500℃下脱气处理20h直至绝对真空度为0.003pa，之后在130mpa下冷等静压处理20分钟，得到钽钛压坯；所述模具的顶部设置脱气管，所述脱气管口与粉末之间沿粉末的外表面依次设置第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层，所述第一隔离层的材质为石墨，所述第二隔离层的材质为玻璃棉，所述第三隔离层的材质为石墨；
76.(3)将步骤(2)得到的所述钽钛压坯在900℃下进行第三热处理，之后在1300℃，130mpa下热等静压处理5h，得到钽钛合金靶材。
77.实施例3
78.本实施例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
79.(1)将粒度为30-40μm，纯度为99.96％的钽粉在900℃进行第一热处理，将粒度为30-40μm，纯度≥99.99％的钛粉在800℃下进行第二热处理，之后将所得钽粉和钛粉按原子
比为1.2:1进行球磨，得到钽钛混合粉末，所述球磨中钽钛混合粉末与磨球的质量比为9:1，所述球磨的磨球为钽球，所述球磨的时间为55h，所述球磨的气氛为氩气；
80.(2)将步骤(1)得到的所述钽钛混合粉末放入模具中，在600℃下脱气处理8h直至绝对真空度为0.003pa，之后在170mpa下冷等静压处理10分钟，得到钽钛压坯；所述模具的顶部设置脱气管，所述脱气管口与粉末之间沿粉末的外表面依次设置第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层，所述第一隔离层的材质为石墨，所述第二隔离层的材质为玻璃棉，所述第三隔离层的材质为石墨；
81.(3)将步骤(2)得到的所述钽钛压坯在1000℃下进行第三热处理，之后在1200℃，150mpa下热等静压处理3h，得到钽钛合金靶材。
82.实施例4
83.本实施例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于钽粉的粒度为50-60μm。
84.实施例5
85.本实施例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于钛粉的粒度为60-70μm。
86.实施例6
87.本实施例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于去掉第二隔离层和第三隔离层。
88.实施例7
89.本实施例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于热等静压处理的温度为1150℃。
90.实施例8
91.本实施例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于热等静压处理的压力为120mpa。
92.对比例1
93.本对比例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于去掉第一热处理。
94.对比例2
95.本对比例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于去掉第二热处理。
96.对比例3
97.本对比例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于去掉冷等静压处理。
98.对比例4
99.本对比例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于去掉第三热处理。
100.对比例5
101.本对比例提供一种钽钛合金靶材的制备方法，与实施例1相比仅在于去掉热等静压处理。
102.对实施例1-8和对比例1-5所得钽钛合金靶材的致密度采用金属材料密度测试仪进行测试，结果如表1所示。
103.对实施例1-8和对比例1-5所得钽钛合金靶材的纯度采用辉光放电质谱仪(gdms)进行测定，结果如表1所示。
104.表1
[0105] 致密度/％纯度/％实施例199.9099.99实施例299.8799.96实施例399.8099.97实施例499.2099.99实施例599.0099.98实施例699.7099.96实施例799.0099.99实施例899.0099.99对比例199.9099.90对比例299.9099.91对比例397.9099.99对比例498.2099.90对比例581.6099.99
[0106]
从表1可以看出以下几点：
[0107]
(1)从实施例1-3可以看出，采用实施例1-3所述的钽钛合金靶材的制备方法可以提升靶材的致密度到99.80％以上，可以提升靶材的纯度至99.96％以上。
[0108]
(2)综合实施例1和实施例4-5可以看出，实施例1中钽粉的粒度为10-20μm，钛粉的粒度为10-20μm，相较于实施例4中钽粉的粒度为50-60μm，实施例5中钛粉的粒度为60-70μm而言，实施例1中钽钛合金靶材的致密度为99.90％，而实施例4和实施例5中钽钛合金靶材的致密度分别为99.20％和99.00％，由此表明，本发明优选控制钽粉和钛粉的粒度在特定范围，可以提高靶材的致密度。
[0109]
(3)综合实施例1和实施例6可以看出，实施例6与实施例1相比仅在于去掉第二隔离层和第三隔离层，实施例1中钽钛合金靶材的致密度为99.90％，纯度为99.99％，而实施例6中钽钛合金靶材的致密度仅为99.70％，纯度为99.96％，由此表明，本发明优选设置三层隔离层，可以提高靶材的致密度和纯度。
[0110]
(4)综合实施例1和实施例7-8可以看出，实施例1中热等静压处理的温度为1250℃，压力为140mpa，相较于实施例7中热等静压处理的温度为1150℃，实施例8中热等静压处理的压力为120mpa，实施例1中钽钛合金靶材的致密度为99.90％，而实施例7和实施例8中靶材的致密度仅为99.00％，由此表明，本发明优选控制热等静压处理的温度和压力在特定范围，可以提高靶材的致密度。
[0111]
(5)综合实施例1和对比例1-5可以看出，对比例1-5中分别去掉了第一热处理、第二热处理、冷等静压处理、第三热处理和热等静压处理，实施例1中钽钛合金靶材的致密度为99.90％，纯度为99.99％，而对比例1-2和对比例4中靶材的纯度均低于实施例1，对比例
3-5中靶材的致密度均低于实施例1，由此表明，本发明通过第一热处理、第二热处理、冷等静压处理、第三热处理和热等静压处理的组合操作，可以提升靶材的致密度和纯度。
[0112]
综上所述，本发明提供的钽钛合金靶材的制备方法可以提供靶材的致密度和纯度，具有较高的应用价值。
[0113]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。