一种旋转钛靶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种旋转钛靶及其制备方法。本发明专利技术的旋转钛靶的制备方法工艺简单，操作方便，合金成分范围宽，适合大规模工业生产，所制得的靶材纯度≥99.95％，相对密度≥95％，尺寸不受限制，厚度可达到3～12mm，长度可达到4000mm，氧含量≤1200ppm，晶粒尺寸小，成分稳定。

A rotating titanium target and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种旋转钛靶及其制备方法
本专利技术涉及溅射靶材
，具体涉及一种旋转钛靶及其制备方法。
技术介绍
钛具有密度低、耐腐蚀性好、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，被广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。目前钛靶主要有平面靶、多弧圆柱靶、一体管靶等。钛靶的生产方式多为熔炼，采用喷涂工艺的较少。冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术，是利用高压气体通过缩放管产生超高音速气流，将粉末从轴向送入其中，经加速后撞击基体，产生塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。这种喷涂方式基本不发生组织结构的变化，因此，涂层致密度高，晶粒尺寸小，应力小(表现为残余压应力)，可制备厚涂层；但钛的塑性变形差，如何冷喷涂形成一定厚度的涂层亟需解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种旋转钛靶及其制备方法，该方法工艺简单、操作方便，所制得的靶材纯度高，尺寸不受限制，氧含量低，晶粒尺寸小。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：(1)制备平均粒径D50为30-80um的钛粉：当钛粉的粒径小时，比表面积会变大，分子的相互摩擦会增多，导致粉末极易团聚，不利于连续化生产，影响生产效率；也会使得喷涂产品密度降低，表观不良；粉末太细还不利于后续的回收，因此，选择D50粒径为30-80μm，尤其是D50＝30-60μm的钛粉；(2)对靶材基管进行表面处理；(3)冷喷涂：将表面处理后的靶材基管安装在传动设备上，使靶材基管绕其中心轴转动，喷枪沿靶材基管的水平方向相对往返移动，启动冷却装置后，将钛粉通过喷枪冷喷涂到靶材基管表面，沉积形成涂层，得到靶材。本专利技术采用冷喷涂工艺制备旋转钛靶材，工艺简单，操作方便，通过优选钛粉的粒径，制备得到的靶材的涂层致密度高，晶粒尺寸小，氧含量低，不发生组织结构的变化，成分稳定。优选地，所述步骤(1)中，钛粉的纯度≥99.95％，钛的塑性主要依赖于其纯度，钛的纯度越高，塑性越大，越有利于喷涂，粉末利用率较高。优选地，所述步骤(2)中，靶材基管为不锈钢钢管或钛管，优选为304无磁不锈钢管，成本较低。优选地，所述步骤(2)中，表面处理包括喷砂处理和打底处理。优选地，喷砂处理所用的磨料为白刚玉、钢丝切丸或铸钢砂，优选为铸钢砂。优选地，打底处理的方式为电弧喷涂、火焰喷涂或等离子喷涂，打底处理所用的原料选自丝材或粉末，其中，丝材选自铜铝丝、铜镍丝、镍铝丝、蒙乃尔丝中的至少一种；粉末选自镍包铝复合粉、铝包镍复合粉中的至少一种。优选地，打底处理的方式为电弧喷涂，优选为铜镍丝电弧喷涂。使用铜镍丝电弧喷涂，成本相对低；打底后表面活化性能高，与后续涂层结合强度高；环境污染小。优选地，打底处理后靶材基管的表面粗糙度Ra为220-400μm，优选为260-350μm。粗糙度大时，粉末粒子与打底处理后的基管粘接强度更好，但粗糙度太大时，整个打底层更显的凹凸不平，反而会降低结合强度。优选地，所述步骤(3)中，靶材基管的转速为120-200r/min，优选为150-180r/min。转速快，有利于降低靶材内应力；但靶材基管转速太快对设备要求高，也不利于长期稳定生产。优选地，所述步骤(3)中，喷枪的移动速度为20-40mm/s，优选为20-30mm/s。优选地，所述步骤(3)中，冷喷涂的工艺参数为：主气压力为4-8Mpa，载气压力为4.5-8.5Mpa，主气加热温度为500-1000℃，喷涂距离为10-80mm。对于冷喷涂，粒子动能是形成涂层的关键。气体压力大，粒子的速度相对大。结合生产设备及钛粉塑性情况，主气压力选择4-8Mpa。在气体压力一定时，通过加热预热气体，能进一步提高粉末颗粒的速度；同时，较高的温度有利于粉末颗粒在撞击时产生塑性变形。结合粉末自身特性，主气加热温度选择500-1000℃。冷喷涂时，超音速双相流离开喷嘴后，受到空气的影响，其速度、方向和温度都将发生变化。这个需要综合考虑，选择最佳的喷涂距离为10-80mm。优选地，主气及载气为氮气或惰性气体，进一步优选的，冷喷涂所用的主气和载气分别独立选自氮气或氦气；再进一步优选的，冷喷涂所用的主气和载气采用氮气。氮气成本较低。优选地，所述步骤(3)中，冷喷涂时还将除尘风口对应喷枪的圆周区域且随喷枪来回移动，收集未沉积的粉末，粉末可回收、出售，降低成本。所述旋转钛靶材的制备方法中还包括对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到旋转钛靶材成品的步骤。本专利技术在冷喷涂设有冷却装置的目的是减少基管及涂层受热膨胀。进一步优选的，冷却装置包括水冷装置或气冷装置，其中，水冷装置为在靶材基管内部通入循环水，水温为5℃～40℃；气冷装置为在靶材基管周围设有风刀，气冷所用的气体为低温压缩空气或氮气；进一步优选的，冷喷涂时设有水冷装置冷却，所用的水为常温水。本专利技术还提供了根据上述方法制备得到的旋转钛靶，所述旋转钛靶的氧含量≤1000ppm，晶粒尺寸≤40μm。对于旋转钛靶，当使用到一定尺寸后需要停机更换新靶材或钛靶表面出现问题后需要处理。本专利技术还提供了一种旋转钛靶的修复方法，采用冷喷涂的方式来进行修复，具体包括以下步骤：(1)制备平均粒径D50为30-80μm的钛粉；(2)对残靶进行表面处理；(3)冷喷涂：将表面处理后的残靶安装在传动设备上，使残靶绕其中心轴转动，喷枪沿残靶的水平方向相对往返移动，启动冷却装置后，将钛粉通过喷枪冷喷涂到残靶表面，沉积形成涂层，得到修复后的靶材，其中，残靶的转速为120-200r/min，优选为150-180r/min；喷枪的移动速度为20-40mm/s，优选为20-30mm/s；冷喷涂的工艺参数为：主气压力为4-8Mpa，载气压力为4.5-8.5Mpa，主气加热温度为500-1000℃，喷涂距离为10-80mm，主气及载气为氮气或惰性气体，进一步优选的，冷喷涂所用的主气和载气分别独立选自氮气或氦气；再进一步优选的，冷喷涂所用的主气和载气采用氮气，氮气成本较低。冷喷涂工艺参数为：主气压力：5-6.5Mpa，载气压力：5-7Mpa；主气加热温度850-920℃；喷枪距离30-45mm，更有利于制备得到致密度高，纯度高，氧含量低，晶粒尺寸小的靶材。上述修复方法中的表面处理可以为采用无水乙醇清洗，也可以为采用无水乙醇清洗后再进行打磨处理。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术旋转钛靶的制备方法工艺简单，操作方便，合金成分范围宽，适合大规模工业生产，所制得的靶材纯度≥99.95％，相对密度≥95％，尺寸不受限制，厚度可达到3～12mm，长度可达到4000mm，氧含量≤1200ppm，晶粒尺寸小，不发生组织结构的变化，成分稳定。具体实施方式为更好地说明本专利技术的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本专利技术进一步说明。本领域技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转钛靶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)制备平均粒径D50为30-80μm，优选为30-60μm的钛粉；/n(2)对靶材基管进行表面处理；/n(3)冷喷涂：将表面处理后的靶材基管安装在传动设备上，使靶材基管绕其中心轴转动，喷枪沿靶材基管的水平方向相对往返移动，启动冷却装置后，将钛粉通过喷枪冷喷涂到靶材基管表面，沉积形成涂层，得到靶材。/n

【技术特征摘要】
1.一种旋转钛靶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备平均粒径D50为30-80μm，优选为30-60μm的钛粉；
(2)对靶材基管进行表面处理；
(3)冷喷涂：将表面处理后的靶材基管安装在传动设备上，使靶材基管绕其中心轴转动，喷枪沿靶材基管的水平方向相对往返移动，启动冷却装置后，将钛粉通过喷枪冷喷涂到靶材基管表面，沉积形成涂层，得到靶材。


2.根据权利要求1所述的旋转钛靶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，钛粉的纯度≥99.95％。


3.根据权利要求1所述的旋转钛靶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，表面处理包括喷砂处理和打底处理。


4.根据权利要求3所述的旋转钛靶的制备方法，其特征在于，喷砂处理所用的磨料为白刚玉、钢丝切丸或铸钢砂，优选为铸钢砂；
打底处理的方式为电弧喷涂、火焰喷涂或等离子喷涂，打底处理所用的原料选自丝材或粉末，其中，丝材选自铜铝丝、铜镍丝、镍铝丝、蒙乃尔丝中的至少一种；粉末选自镍包铝复合粉、铝包镍复合粉中的至少一种，优选地，打底处理的方式为电弧喷涂，更优选为铜镍丝电弧喷涂。


5.根据权利要求4所述的旋转钛靶的制备方法，其特征在于，打底处理后靶材基管的表面粗糙度Ra为220-400μm，优选为260-350μm。


6.根据权利要求1所述的旋转钛靶的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，靶材基管的转速为120-200r...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴健，黄显峰，雷雨，周志宏，肖世洪，赵明增，
申请(专利权)人：广州市尤特新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44