一种铜镓/铜铟镓管状阴极靶材的成型方法技术

本发明专利技术公开了一种铜镓/铜铟镓管状阴极靶材的成型方法，该方法是将铜Cu、铟In、镓Ga原料按一定比例，次序装入真空感应熔炼炉内，在一定的真空条件下，加热到一定的温度熔化、精炼，真空感应的高真空熔炼及电磁搅拌，之后采用特殊设计的底浇注模具系统，急速冷却凝固成型。本发明专利技术工艺参数易于控制，产品成材率高，原料利用率高，最重要的是能得到纯度高，气体含量少，成分均匀，晶粒细小，致密度高的高质量铜镓/铜铟镓合金管状阴极靶材，在制备铜铟镓硒太阳能薄膜电池方面有实际的生产应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冶金领域，具体地说是一种铜镓/铜铟镓管状阴极靶的成型方法。
技术介绍
能源、环境已成为全球面临的重大问题，近年来各国投入大量资源全力开发太阳能电池，在众多的太阳能电池中，铜铟镓硒薄膜光伏电池作为第二代光伏电池，其主要优点是制造成本低，而光电转换效率高，且抗辐射能力强、性能稳定等。晶硅太阳能电池作为第一代太阳能电池，光电转换效率高，但生产其需要大量的高纯硅材料，而高纯硅的生产过程需要消耗大量的能源，并造成环境污染。薄膜太阳能电池则消耗的材料少得多，有广阔的发展前景。铜铟镓硒CuInxGal_xSe2薄膜太阳能电池是薄膜电池中最有发展潜力的电池。它不仅无毒，对环境没有污染，而且具有更高的转换效率。制备CIGS太阳能薄膜电池的方法 有很多，其中磁控溅射法是目前应用最多的方法之一，具有溅射速率高、溅射材料与基片结合牢固、薄膜成分控制精准等优点。磁控溅射法是目前制备CIGS薄膜的主要技术之一，溅射沉积所用的原材料是靶材。不同的靶材得到不同的膜系。高质量的薄膜溅射制备取决于靶材的品质，其中靶材的纯度、致密度、微观组织结构是重要的质量控制点。目前，制备CIGS太阳能薄膜电池的靶材制造商主要集中在美国、德国及日本。国内制备CIGS薄膜的靶材的主要制造工艺包括粉末冶金和熔融铸造。( I)粉末冶金工艺制备铜铟镓硒薄膜所需祀材,是将元素粉末或合金粉末按一定配比混合压制并烧结成靶材。粉末冶金法的优点是靶材成分均匀，合金成分比例可调，缺点是密度低、杂质及气体含量高、工艺流程长。常用的粉末冶金工艺包括冷压烧结、热压和热等静压等。(2)熔融铸造是将合金原料按一定成分配比后熔炼，浇注，形成铸锭。经过冷、热加工成型到所需坯料，机加工制成靶材。常用的熔炼方法有感应熔炼、电弧熔炼、炉外坩埚熔炼等。熔融法制备的靶材杂质含量低，密度高，缺点是对熔点和密度相差较大的两种或两种以上金属，普通熔炼法难以获得成分均匀的合金靶材，且制备铜铟镓硒所需的部分成分的合金难以进行后续的冷、热加工成型。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种铜镓/铜铟镓管状阴极靶材及其真空熔铸成型方法，该靶材细化了晶粒，提高材料的致密性，并克服了高、低熔点物相的偏析问题，同时，底浇注特点改善了铜铟/铜铟镓合金铸件的缩孔气孔等缺陷。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案一种铜镓/铜铟镓管状阴极靶的成型方法流程如下原料铜块、铟块配料装炉——熔炼，熔炼后期通电烘模——精炼——精炼后期，降温结膜，加入镓，电磁搅拌——底浇注——通水激冷成型——至室温脱模——机加工清洗真空封装。具体过程包括以下步骤 1)将铜块、铟块置于坩埚中，将镓置于合金加料仓； 2)装料完成后，关闭炉门，开启真空泵机组，当炉内真空度小于IOPa时，开始加热，进入熔炼期，熔炼期真空度在IPa以下，熔炼温度为800°C 1150°C，待料熔化至约占全部料的2/3时，开始通电烘模，烘模温度为20(T400°C，烘模约半小时左右。3)熔炼期完成后，进入精炼期，精炼温度为850°C 1200°C，精炼时间为10 20min，精炼IOlOmin后，降温至720 V 1050 °C、结膜，加入原料镓，进行电磁搅拌3 5min ； 4)搅拌完成后进行浇注，浇注温度为820°C 1200°C，采用底浇注，浇注于管状模具中； 5)浇注完成后进行冷却，冷却至室温后出炉，拆卸模具，得到铜镓/铜铟镓合金管状坯料； 6)根据产品形状及尺寸要求，对成型后的管坯机加工，得到最终尺寸的管状靶材，对管状靶材进行超声波清洗，待干燥后真空封装，至此，得到能用于光伏材料的铜镓/铜铟镓合金管状阴极靶成品。所述步骤I)中铜块和铟块、镓的纯度均在99. 99%以上。所述步骤I)中配料比例为按重量百分比铜铟、镓=50% 90% :10% 50% 所述步骤I)中先在坩埚底部放置铜块，然后再坩埚中上部放置铟块，装料紧密，防止“搭桥”。所述步骤2)中熔炼期真空度为0. OlPaI Pa。所述成型方法采用的浇注系统包括真空浇注腔室，在真空浇注腔室中设有底浇注管，在底浇注管的内侧设有冷却水夹层，在底浇注管的外侧设有烘模用发热体，在冷却水夹层的底部和上部分别设有进水口和出水口。所述冷却水的流量为lL/s飞L/s，采用直接通水或其它冷却剂激冷，铸管壁强制冷却，通水急速冷却至合金溶液结晶后，打开炉盖，同时继续通水，冷却至室温。有益效果本专利技术具有如下优点 (1)工艺参数易于控制，可操作性强； (2)铜镓/铜铟镓合金靶材料纯度高，杂质和气体含量少，密度高，产品性能优异，能很好地满足真空溅射镀膜的需要。(3)由于采用了直接通水或其它冷却剂激冷的方式，使结晶速度加快，解决了凝固过程中铜、铟、镓高、低熔点物相的偏析问题，且快冷细化了晶粒，得到了成分均匀、晶粒细小的合金材料。(4)底浇注方式同时改善了气孔、缩孔等铸造缺陷； (5)管状成型模具，使得制备管状靶机加工过程简单，减少了机加工余量，提高了金属原料的收得率，降低了成本。综上所述，本专利技术工艺参数易于控制，产品成材率高，原料利用率高，最重要的是能得到纯度高，气体含量少，成分均匀，晶粒细小，致密度高的高质量铜镓/铜铟镓合金管状阴极靶材，在制备铜铟镓硒太阳能薄膜电池方面有实际的生产应用前景。附图说明图I为本专利技术浇注系统结构示意图，图中7为模具底座，8为合金溶液。具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。实施方式一将纯度均为99. 99%的铜、铟、镓按质量百分比50 43 7配料，铜置于坩埚底部，铟置于中上部，镓置于合金加料仓，熔炼温度为800°C，熔炼期真空度保持在IPa，精炼期真空度在0. 5Pa，精炼温度为850°C，精炼时间为15分钟后，降温至720°C，结膜，加入镓，电磁搅拌3分钟。熔炼后期，同时通电烘模，烘模温度约250°C。浇注，浇注温度为 820°C，之后通冷却水，冷却水流量为3L/s，冷却水压力为0. 3MPa，通水急速冷却结晶后，打开炉盖，同时继续通水，直至冷却至室温，出炉，拆卸模具，得到合金管状坯料。机加工得到所需规格，之后超声波清洗2次，待干燥后，真空封装，得到铜铟镓合金管状阴极靶。实施方式二 将纯度为99. 99%的铜、铟、镓质量百分比60 30 10配料，铜置于坩埚底部，铟置于中上部，镓置于合金加料仓。熔炼温度为820°C，熔炼期真空度保持在IPa以下，精炼期真空度在0. 5Pa，精炼温度为870°C，精炼时间为20分钟后，降温至740 V，结膜，加入镓，电磁搅拌5分钟。熔炼后期，同时通电烘模，烘模温度约300°C。浇注，浇注温度为830°C，之后通冷却水，冷却水流量为5L/s，冷却水压力为0. 5MPa，通水急速冷却结晶后，打开炉盖，同时继续通水，直至冷却至室温，出炉，拆卸模具，得到合金管状坯料。机加工至所需规格，之后超声波清洗2次，待干燥后，真空封装，得到铜铟镓合金管状阴极靶。实施方式三将纯度为99. 99%的铜和镓按质量百分比90 :10，铜置于坩埚内，镓置于合金加料仓。熔炼温度为1150°C，熔炼期真空度保持在IPa以下，精炼期真空度在0. 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜镓/铜铟镓管状阴极靶材的成型方法，其特征在于包括以下步骤 1)将铜块、铟块置于坩埚中，将镓置于合金加料仓； 2)装料完成后，关闭炉门，开启真空泵机组，当炉内真空度小于IOPa时，开始加热，进入熔炼期，熔炼期真空度在IPa以下，熔炼温度为800°C 1150°C，待料熔化至约占全部料的2/3时，开始通电烘模，烘模温度为20(T400°C，烘模约半小时左右。2.3)熔炼期完成后，进入精炼期，精炼温度为850°C 1200°C，精炼时间为10 20min，精炼IOlOmin后，降温至720V 1050°C、结膜，加入原料镓，进行电磁搅拌3 5min ； 4)搅拌完成后进行浇注，浇注温度为820°C 1200°C，采用底浇注，浇注于管状模具中； 5)浇注完成后进行冷却，冷却至室温后出炉，拆卸模具，得到铜镓/铜铟镓合金管状坯料； 6)根据产品形状及尺寸要求，对成型后的管坯机加工，得到最终尺寸的管状靶材，对管状靶材进行超声波清洗，待干燥后真空封装，至此，得到能用于光伏材料的铜镓/铜铟镓合金管状阴极靶成品。3.根据权利要求I所述一种铜镓/铜铟镓管状阴极靶材的成型方法，其特征在于所述步骤I)中铜块...

【专利技术属性】
技术研发人员：马步洋，缑彦春，王彬，
申请(专利权)人：江苏美特林科特殊合金有限公司，
类型：发明
国别省市：