一种钴钽锆合金靶材的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种钴钽锆合金靶材的制备方法及其应用，属于特种材料制备技术领域，制备方法包括：通过成分设计、高真空垂熔+高真空电子束熔炼、三维等温热锻开坯和变角度控制轧制工艺等，以控制合金的组织结构及靶材性能，制备出高品质的钴钽锆合金靶材，所述的钴钽锆合金靶材，氧含量≤15ppm，平均晶粒度为5～20μm，靶材中相分布均匀，透磁率大于40％，透磁率不均匀性小于2％。本发明专利技术所设计的工艺，能够有效控制成品靶材的氧含量、组织结构均匀性及磁性能，这为其溅射出高品质薄膜提供了原材料保障。

Preparation and application of a cobalt tantalum zirconium alloy target

【技术实现步骤摘要】
一种钴钽锆合金靶材的制备方法及其应用
本专利技术属于特种材料制备
，尤其涉及一种钴钽锆合金靶材的制备方法及其应用。
技术介绍
钴基合金薄膜材料具有高磁导率、高饱和磁化强度、高电阻率、高截止频率、低矫顽力等特性，是微电感原器件、磁记录元器件的理想原材料。钴钽锆合金是一种重要的软磁材料，具有较好的磁化特性，是新一代信息技术产业磁记录材料的重要原材料之一。但由于其导磁率高，在磁控溅射过程中，严重的磁屏蔽使通过靶材表面的磁场较少，磁控溅射难以顺利进行，大幅降低了溅射成膜的效率和成膜质量。磁控溅射的成膜质量与原材料靶材息息相关，主要体现在原材料的纯度、致密度、成分及组织均匀性及晶粒大小等。靶材的纯度直接影响薄膜的连续性和均匀性，杂质含量越低，磁控溅射成膜质量越好。高致密度靶材的溅射功率较小、成膜速率高，靶材的服役寿命长，成膜的质量也较好。靶材的组织成分、结构均匀是成膜质量的关键，晶粒尺寸约细小，溅射速度越快，溅射后薄膜的厚度分布约均匀。钴钽锆靶材溅射时，由于密排面之间的结合键稍弱，靶材中的原子最容易沿着密排面方向择优溅射出来，因此，选择特定的织构取向可改善高纯钴钽锆靶材的磁性能。目前，对钴钽锆靶材晶粒分布和相组织分布仍缺乏有效控制，不利于靶材的使用效率和溅射成膜性能。透磁率是考核靶材溅射性能的重要指标，采用高磁导率的磁性靶材可将磁场尽可能集中在靶材中，使辉光过程更为稳定，因此，提高垂直靶面的透磁率可提升真空下溅射成膜性能。目前，钴钽锆靶材的制备方法主要有熔炼铸锭法和粉末冶金法。熔炼铸锭法是将原料进行中频感应真空熔炼，再将坯锭进行锻造轧制加工等手段制备成靶材，通过常规的中频感应真空熔炼得到的坯料晶粒较粗大，且容易产生带状组织，降低靶材的溅射性能。粉末冶金法是将原料粉经过热压或等静压成型，然后进行真空烧结提高综合性能，采用粉末冶金法可避免熔炼铸锭法中常出现的强织构取向现象，易获得织构随机、均匀性较好的靶材。但粉末冶金制备钴钽锆合金靶材过程容易带入杂质，降低靶材纯度，尤其是残余氧含量难以控制，极大影响了靶材的溅射成膜性能；另一方面，粉末冶金过程难以使靶材完全致密化，内部存在的微孔会影响成膜质量。
技术实现思路
针对现有技术中磁控溅射用钴钽锆合金靶材晶粒较粗、织构不均和透磁率不达标的问题，本专利技术的目的在于提供一种钴钽锆合金靶材的制备方法及其应用，通过成分设计、高真空垂熔+高真空电子束熔炼、三维等温热锻开坯和变角度控制轧制工艺等，以控制合金的组织结构及靶材性能，制备出高品质的钴钽锆合金靶材。为了达到上述目的，本专利技术提供以下技术方案：一种钴钽锆合金靶材的制备方法，包括以下步骤：(1)成分设计：对钴钽锆合金进行成分设计，按照设定配方进行配料；(2)冷压成型：对原料粉进行冷等静压成型，得到冷等静压成型坯锭；(3)真空垂熔：将步骤(2)所得冷等静压成型坯锭进行真空垂熔处理，得到真空垂熔坯锭；(4)电子束熔炼：将步骤(3)所得真空垂熔坯锭进行至少2次电子束熔炼，得到高致密坯锭；(5)包套：将步骤(4)所得高致密坯锭在氩气室进行不锈钢包套，得到包套的坯锭；(6)三维高速等温热锻开坯：6.1)将包套的坯锭加热至950～1050℃，保温时间1～2小时，然后使坯锭轴向与锻造力方向平行，进行纵向锻造，锻造的总变形量为50％～60％，锻造速度大于等于6m/s，锻造过程中，通过辅助加热保证坯锭温度大于等于900℃；6.2)纵向锻造完成后，将锻造坯锭旋转90°，使坯锭轴向与锻造力方向垂直，进行横向锻造，锻造一次后，以坯锭轴向为轴，每旋转90°锻造一次，每次变形量25％～30％，锻造三次，锻造速度大于等于4m/s，锻造过程中，通过辅助加热保证坯锭温度大于等于900℃；6.3)依次重复步骤6.1)、步骤6.2)至少3次，得到热锻开坯后的坯件；(7)变角度交叉轧制：7.1)将热锻开坯后的坯件加热至650℃～800℃，保温0.5～1小时，沿着垂直于原始坯锭轴向方向进行第一道次轧制，变形量控制在23％～26％，然后沿与第一道次轧制方向垂直的方向进行第二道次轧制，变形量控制在15％～18％，得到轧制坯；7.2)将轧制坯加热至650～800℃，保温0.5～1小时，沿着与步骤7.1)中第二道次轧制呈60°的方向进行第三道次轧制，变形量控制在15％～18％，然后沿着与步骤7.1)第二道次轧制呈120°进行第四道次轧制，变形量控制在15％～18％，得到多方向轧制坯；7.3)依次重复步骤7.1)、步骤7.2)至少1次，得到钴钽锆合金板；(8)后处理：铣去表面包套，对其表面进行车、铣、抛光和包装，得到所述钴钽锆合金靶材；所述的钴钽锆合金靶材，氧含量≤15ppm，平均晶粒度为5～20μm，靶材中相分布均匀，透磁率大于40％，透磁率不均匀性小于2％。优选的方案，所述步骤(1)中，钴钽锆合金由如下原料按质量百分比组成：Ta2.0％～10.0％，Zr2.0％～10.0％，Hf1.0％～2.5％，B0.01％～0.10％，余量为Co，各组分质量百分比之和为100％。进一步，所述钴粉的纯度大于等于99.995％，钽粉、锆粉、铪粉、硼粉的纯度大于等于99.99％。优选的方案，所述步骤(2)中，冷等静压成型的压力为100～300MPa。优选的方案，所述步骤(3)中，真空垂熔温度为1200～1450℃，处理时间为15～30分钟，真空度≤10-4Pa。优选的方案，所述步骤(4)中，控制熔炼温度为1400～1750℃，每次电子束熔炼时间为0.5～1小时，真空度≤10-4Pa。优选的方案，所述步骤6.1)中，纵向锻造分2个道次完成：其中，第一道次变形量控制在33％～37％，随即进行第2道次锻造。本专利技术还提供了所述钴钽锆合金靶材的应用，将其应用于磁控溅射靶材。本专利技术提供一种组织可控钴钽锆合金靶材的制备方法，将高纯钴粉、锆粉、钽粉、铪粉、硼粉按设计配方混合，在真空度低于或等于10-4Pa的条件下先进行垂熔，然后在真空度低于或等于10-4Pa的条件下进行至少2次电子束熔炼，熔炼后装入包套中，进行三维等温热锻开坯和变角度轧制，得到所述钴钽锆合金靶材。与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果为：1)本专利技术通过合金成分设计来提高钴钽锆合金的综合性能。在钴钽锆合金添加适量的Hf，一方面可起到固溶强化的作用，另一方面可降低靶材的各向异性场和矫顽力，提高靶材的组织均匀性和成膜效率；通过适量B的添加，并配合真空垂熔工艺，可进一步降低合金中的C、O含量，使合金的纯度更高，靶材综合性能更优。2)相较于传统真空中频感应熔炼制备坯锭的工艺，本专利技术集合了粉末冶金和熔炼铸造的特点：采用粉末等静压后经真空垂熔处理的坯锭，可预先使金属粉末合金化，其内部组织更均匀，可保证后续熔炼铸锭坯锭的均匀化；再经过真空电子束熔炼，可保证垂熔坯锭快速熔化，在高真空下排除气体和低熔点杂质，进一步纯化坯锭组织并致密化坯锭；二次真空电子束熔炼可进一步消本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钴钽锆合金靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)成分设计：对钴钽锆合金进行成分设计，按照设定配方进行配料；/n(2)冷压成型：对原料粉进行冷等静压成型，得到冷等静压成型坯锭；/n(3)真空垂熔：将步骤(2)所得冷等静压成型坯锭进行真空垂熔处理，得到真空垂熔坯锭；/n(4)电子束熔炼：将步骤(3)所得真空垂熔坯锭进行至少2次电子束熔炼，得到高致密坯锭；/n(5)包套：将步骤(4)所得高致密坯锭在氩气室进行不锈钢包套，得到包套的坯锭；/n(6)三维高速等温热锻开坯：/n6.1)将包套的坯锭加热至950～1050℃，保温时间1～2小时，然后使坯锭轴向与锻造力方向平行，进行纵向锻造，锻造的总变形量为50％～60％，锻造速度大于等于6m/s，锻造过程中，通过辅助加热保证坯锭温度大于等于900℃；/n6.2)纵向锻造完成后，将锻造坯锭旋转90°，使坯锭轴向与锻造力方向垂直，进行横向锻造，锻造一次后，以坯锭轴向为轴，每旋转90°锻造一次，每次变形量25％～30％，锻造三次，锻造速度大于等于4m/s，锻造过程中，通过辅助加热保证坯锭温度大于等于900℃；/n6.3)依次重复步骤6.1)、步骤6.2)至少3次，得到热锻开坯后的坯件；/n(7)变角度交叉轧制：/n7.1)将热锻开坯后的坯件加热至650℃～800℃，保温0.5～1小时，沿着垂直于原始坯锭轴向方向进行第一道次轧制，变形量控制在23％～26％，然后沿与第一道次轧制方向垂直的方向进行第二道次轧制，变形量控制在15％～18％，得到轧制坯；/n7.2)将轧制坯加热至650～800℃，保温0.5～1小时，沿着与步骤7.1)中第二道次轧制呈60°的方向进行第三道次轧制，变形量控制在15％～18％，然后沿着与步骤7.1)第二道次轧制呈120°进行第四道次轧制，变形量控制在15％～18％，得到多方向轧制坯；/n7.3)依次重复步骤7.1)、步骤7.2)至少1次，得到钴钽锆合金板；/n(8)后处理：铣去表面包套，对其表面进行车、铣、抛光和包装，得到所述钴钽锆合金靶材；所述的钴钽锆合金靶材，氧含量≤15ppm，平均晶粒度为5～20μm，靶材中相分布均匀，透磁率大于40％，透磁率不均匀性小于2％。/n...

【技术特征摘要】
1.一种钴钽锆合金靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)成分设计：对钴钽锆合金进行成分设计，按照设定配方进行配料；
(2)冷压成型：对原料粉进行冷等静压成型，得到冷等静压成型坯锭；
(3)真空垂熔：将步骤(2)所得冷等静压成型坯锭进行真空垂熔处理，得到真空垂熔坯锭；
(4)电子束熔炼：将步骤(3)所得真空垂熔坯锭进行至少2次电子束熔炼，得到高致密坯锭；
(5)包套：将步骤(4)所得高致密坯锭在氩气室进行不锈钢包套，得到包套的坯锭；
(6)三维高速等温热锻开坯：
6.1)将包套的坯锭加热至950～1050℃，保温时间1～2小时，然后使坯锭轴向与锻造力方向平行，进行纵向锻造，锻造的总变形量为50％～60％，锻造速度大于等于6m/s，锻造过程中，通过辅助加热保证坯锭温度大于等于900℃；
6.2)纵向锻造完成后，将锻造坯锭旋转90°，使坯锭轴向与锻造力方向垂直，进行横向锻造，锻造一次后，以坯锭轴向为轴，每旋转90°锻造一次，每次变形量25％～30％，锻造三次，锻造速度大于等于4m/s，锻造过程中，通过辅助加热保证坯锭温度大于等于900℃；
6.3)依次重复步骤6.1)、步骤6.2)至少3次，得到热锻开坯后的坯件；
(7)变角度交叉轧制：
7.1)将热锻开坯后的坯件加热至650℃～800℃，保温0.5～1小时，沿着垂直于原始坯锭轴向方向进行第一道次轧制，变形量控制在23％～26％，然后沿与第一道次轧制方向垂直的方向进行第二道次轧制，变形量控制在15％～18％，得到轧制坯；
7.2)将轧制坯加热至650～800℃，保温0.5～1小时，沿着与步骤7.1)中第二道次轧制呈60°的方向进行第三道次轧制，变形量控制在15％～18％，然后沿着与步骤7.1)第二道次轧制呈120°进行第四道次轧制，变形量控制在15％～18％，得到多方向轧制坯；
7.3)依次重复步骤7.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖柱，方梅，李周，朱云天，陈志永，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43