一种强磁场热压制备金属靶材的装置及方法制造方法及图纸

一种强磁场热压制备金属靶材的装置及方法，属于粉末冶金技术领域。其制备装置，包括压头、模具、上下移动压杆、超导磁体、加热器、冷却水管道和支座；采用上述装置，制备方法包括如下步骤：(1)备料：称量金属粉；(2)装填；(3)磁场热压：磁场强度为0.5～6T；温度为200～1600℃，压力为10～80MPa，热压20～200min，空冷至室温，制得金属靶材；(4)机械加工：将金属靶材进行机械加工，制得表面光滑、平整的金属靶材。本方法将强磁场取向引入到热压工艺制备金属靶材工艺中，利用热压获得高密度；利用强磁场使金属粉的易磁化轴，朝磁场方向转动，从而获得具有良好取向。通过热压和强磁场的复合效应获得具有高密度、强织构的高质量磁控溅射靶材。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于粉末冶金
，特别涉及一种强磁场热压制备金属靶材的装置及方法。
技术介绍
磁控溅射是制备薄膜的最常用手段。高品质的薄膜，除了高纯度、高密度外，薄膜中各处的组织结构、厚度及性能也要均匀一致。研究表明，靶材溅射速率均匀一致，才能获得起伏度小、厚度均一的高品质薄膜。溅射用靶材的微观结构对靶材的溅射性能有显著影响。溅射的薄膜越薄，影响越明显。研究表明只有靶材中的晶粒具有均一的尺寸和一致的取向(强织构)，才能获得平稳均匀的溅射速率，从而得到高品质的薄膜。磁控溅射靶材的密度、纯度技术都已经取得了长足的进步，但是如何控制靶材内部晶粒的取向仍然是靶材制备领域的一个瓶颈问题，因此，开发新型高均匀度、高取向靶材是制备高性能薄膜和金属靶材领域的重要方向。
技术实现思路
为了提高磁控溅射靶材内部晶粒取向的一致性，获得强织构、高性能靶材，本专利技术提供一种强磁场热压制备金属靶材的装置及方法，本方法将强磁场取向引入到热压工艺制备金属靶材工艺中，利用热压获得高密度；利用强磁场使金属粉的易磁化轴，朝磁场方向转动，从而获得具有良好取向。通过热压和强磁场的复合效应获得具有高密度、强织构的高质量磁控溅射靶材。一种强磁场热压制备金属靶材的装置，包括压头、模具、上下移动压杆、超导磁体、加热器、冷却水管道和支座；其中，上下移动压杆穿过支座与模具相连，模具外侧设置有加热器，且加热器设置在支座上，加热器外侧设置有冷却水管道，冷却水管道外侧设置有超导磁体，模具上方设置有压头，压头、加热器、支座和上下移动压杆组成密闭空腔。所述的强磁场热压制备装置的压头和模具的材料为石墨。所述的石墨，表层涂覆耐高温涂层，耐高温涂层为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化硼中的一种，目的是防止石墨的碳元素向靶材内部扩散。所述的石墨无磁性，磁场对其无影响。所述的超导磁体可产生0～6T的磁场。所述的模具和上下移动压杆相连，通过上下移动压杆，控制模具上下移动。所述的冷却水管道包括冷却水腔和进/出水口；其中，冷却水腔中有冷却水流动，可以防止超导磁体线圈受热。冷却水腔连通在进水口和出水口之间，冷却水由进水口进入、出水口流出。本专利技术的一种强磁场热压制备金属靶材的方法，采用上述装置，按如下步骤进行：步骤1，备料：称量金属粉，其中，金属粉的质量按制备的靶材尺寸和金属的密度进行计算；步骤2，装填：将称量好的金属粉装填入模具中；步骤3，磁场热压：(1)将模具安装进磁场热压制备装置中，通过上下移动压杆，调整模具位置，使压头与金属粉接触；(2)打开磁场热压制备装置的超导磁体开关，磁场强度设定为0.5～6T；(3)达到设定磁场强度后，打开加热开关，温度设定为200～1600℃，升温速率为10～20℃/min，达到温度后，保温5～15min；(4)通过上下移动压杆，将模具上行，进行热压，压力为10～80MPa，热压20～200min，关闭磁场，通过上下移动压杆，将模具向下移动出磁场热压制备装置，空冷至室温，制得金属靶材；步骤4，机械加工：将金属靶材进行机械加工，制得表面光滑、平整的金属靶材。金属靶材的纯度与原料选取的金属粉的纯度相对应，金属靶材的晶粒尺寸与原料选取的金属粉的平均粒径有关系；制备的金属靶材相对密度达90～98％。所述步骤1中，金属粉质量的计算公式为：G＝ρ×(πr2×h)其中，G为金属粉质量，ρ为金属密度，r为靶材半径，h为靶材厚度；所述步骤1中，所述的金属粉为Bi系超导体粉、NdFeB粉、SmCo5粉或Pt、Rh、Au、Ag、Co、Fe、Cu、Mn、Bi金属的一种或几种组成的合金；金属粉的平均粒径为50nm～10μm。其中，所述的金属粉为合金时，组成合金的几种金属的比例为任意比。所述的Bi系超导体的结构通式为Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n＝1～3；当n＝1时，称为Bi2201；当n＝2时，称为Bi2212；当n＝3时，称为Bi2223。所述步骤1中，所述的金属粉来自市购或自制，金属粉的纯度为99.9％以上。所述步骤1中，所述的金属粉自制采用球磨、湿化学法、金属盐还原法或化学气相沉积(CVD)法制备。所述步骤1中，所述的金属粉称量采用电子天平。所述的NdFeB粉、SmCo5粉为稀土永磁材料，具有较好的磁性能。所述步骤4中，所述的机械加工为车、磨、铣、削中的一种。该方法利用强磁场促使金属粉末产生良好的取向，通过热压成型制备具有良好织构的金属靶材，从而获得优良的磁控溅射性能。本专利技术的强磁场热压制备金属靶材的装置及方法，与现有技术相比，其有益效果是：1、本专利技术将强磁场引入制备磁控溅射靶材，通过强磁场诱导可以使磁粉的易磁化轴转向磁场方向，从而可以显著提高靶材晶粒的取向度，获得具有强织构的靶材，解决了现有靶材取向度低的瓶颈问题；2、本专利技术把热压工艺和强磁场有机结合起来，可以获得具有高密度、高取向性的均匀一致靶材，进而改善靶材磁控溅射速率的均一性，为制备高性能薄膜提供了高质量的磁控溅射靶材；3、本专利技术的制备方法将传统粉末冶金技术和强磁场相结合，具有在热压成型的同时，将粉末取向，具有工艺流程简单的特点。附图说明图1为本专利技术的强磁场热压制备金属靶材装置的纵截面示意图；1：压头，2：模具，3：上下移动压杆，4：超导磁体，5：加热器，6：冷却水管道：6(a):冷却水管道的进/出水口，6(b)：冷却水管道的冷却水腔，7：支座；图2为本专利技术实施例2制备BiMn合金靶材的XRD图；图3为本专利技术对比例制备的BiMn合金靶材的XRD图。具体实施方式下面通过实施例的对比进一步说明本专利技术的显著效果。以下实施例中，强磁场热压制备金属靶材装置的纵截面示意图如图1所示。实施例1一种强磁场热压制备金属靶材的装置，包括石墨压头1、石墨模具2、上下移动压杆3、超导磁体4、加热器5、冷却水管道6和支座7；其中，上下移动压杆3穿过支座7与石墨模具2相连，石墨模具2外侧设置有加热器5，且加热器5设置在支座7上，加热器5外侧设置有冷却水管道6，冷却水管道6外侧设置有超导磁体4，石墨模具2上方设置有石墨压头1，石墨压头1、加热器5、支座7和上下移动压杆3组成密闭空腔；其中，石墨压头1和石墨模具2表层上涂覆氧化锆耐高温涂层，通过上下移动压杆3，控制石墨模具2上下移动；冷却水管道的冷却水腔6(b)，可以通过冷却水管道的进/出水口6(a)，通入冷却水。一种强磁场热压制备金属靶材的方法，采用上述装置，按如下步骤进行：步骤1，备料：用电子天平称量，市购的平均粒度为1μm的Pt粉200g，Pt粉的纯度为99.99％；步骤2，装填：将称量好的Pt粉装填入石墨模具2中；步骤3，磁场热压：(1)将石墨模具2安装进磁场热压制备装置中，通过上下移动压杆3，调整石墨模具2位置，使石墨压头1与Pt粉接触；(2)打开磁场热压制备装置的超导磁体4的开关，磁场强度设定为6T；(3)达到设定磁场强度后，打开加热开关，温度设定为800℃，升温速率为15℃/min，达到温度后，保温10min；(4)通过上下移动压杆3，将石墨模具2上行，进行热压，压力为60MPa，热压60min，关闭磁场，通过上下移动压杆3，将石墨模具2向下移动出磁场热压制备装置，空冷至室温，制得Pt靶材；步骤4，机械加工：将Pt靶材进行机械加工，制得表面光滑、平整的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强磁场热压制备金属靶材的装置，其特征在于，包括压头、模具、上下移动压杆、超导磁体、加热器、冷却水管道和支座；其中，上下移动压杆穿过支座与模具相连，模具外侧设置有加热器，且加热器设置在支座上，加热器外侧设置有冷却水管道，冷却水管道外侧设置有超导磁体，模具上方设置有压头，压头、加热器、支座和上下移动压杆组成密闭空腔。

【技术特征摘要】
1.一种强磁场热压制备金属靶材的装置，其特征在于，包括压头、模具、上下移动压杆、超导磁体、加热器、冷却水管道和支座；其中，上下移动压杆穿过支座与模具相连，模具外侧设置有加热器，且加热器设置在支座上，加热器外侧设置有冷却水管道，冷却水管道外侧设置有超导磁体，模具上方设置有压头，压头、加热器、支座和上下移动压杆组成密闭空腔。2.如权利要求1所述的强磁场热压制备金属靶材的装置，其特征在于，所述的强磁场热压制备装置的压头和模具的材料为石墨，石墨无磁性。3.如权利要求2所述的强磁场热压制备金属靶材的装置，其特征在于，所述的石墨，表层涂覆耐高温涂层，耐高温涂层为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化硼中的一种。4.如权利要求1所述的强磁场热压制备金属靶材的装置，其特征在于，所述的超导磁体可产生0～6T的磁场。5.如权利要求1所述的强磁场热压制备金属靶材的装置，其特征在于，所述的冷却水管道包括冷却水腔、进水口和出水口；冷却水腔连通在进水口和出水口之间。6.权利要求1所述的强磁场热压制备金属靶材的方法，采用强磁场热压制备金属靶材的装置，其特征在于，按如下步骤进行：步骤1，备料：称量金属粉，其中，金属粉的质量按制备的靶材尺寸和金属的密度进行计算；步骤2，装填：将称量好的金属粉装填入模具中；步骤3，磁场热压：(1)将模具安装进磁场热压制备装置中，通过上下移动压杆，调整模具位置，使压头与...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴文利，闻明，王强，刘铁，张昆华，管伟明，谭志龙，张俊敏，王传军，
申请(专利权)人：东北大学，昆明贵金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21