CN103861982B - 一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法，包括以下步骤：将铌铸锭第一次预热，在预热后的铌铸锭表面涂覆第一抗氧化涂层；将涂覆第一抗氧化涂层后的铌铸锭进行第一次热锻，将第一次热锻后的铌铸锭进行第一次热处理；将第一次热处理后的铌铸锭进行第二次热锻，将第二次热锻后的铌铸锭进行第二次热处理。本发明主要采用锻造的方式对铌铸锭进行处理，使得铸锭中部及心部的柱状晶区得到充分破碎，从而改善铌铸锭的铸造态组织的不均匀程度；另一方面，通过两次锻造，消除了铌铸锭铸造态的枝晶、晶带、非等轴晶及粗晶等不良组织的存在，使铌铸锭的内部晶粒组织得到充分细化，最终得到了内部晶粒均匀的铌旋转靶材用铌坯。

Description

一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法

技术领域

本发明涉及靶材生产技术领域，尤其涉及一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法。

背景技术

靶材是在溅射沉积技术中用作阴极的材料，该材料能够在带正电荷的阳离子撞击下以分子、原子或离子的形式脱离阴极而在阳极表面重新沉积。靶材作为一种具有高附加值的特种电子材料，其被广泛用于溅射尖端技术的薄膜材料。根据应用，靶材主要包括半导体领域用靶材、记录介质用靶材、显示薄膜用靶材、先进触控屏及显示器、光学靶材和超导靶材等。

磁控溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生离子，产生的离子在真空环境中经过加速聚集，从而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能的交换，使固体表面的原子离开固体表面并沉积在基体表面。被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料，称为溅射靶材。

溅射靶材的形状有长方体、正方体、圆柱体和不规则形状。长方体、正方体和圆柱体形状靶材为实心，溅射过程中，圆环形永磁体在靶材表面建立环形磁场，在轴间等距离的环形表面上形成刻蚀区，其缺点是薄膜沉积厚度均匀性不易控制，靶材的利用率较低，仅为20%~30%。目前国内外都在推广应用旋转空心圆管磁控溅射靶，其优点是该空心圆管靶材可绕固定的条状磁铁组件旋转，因而360°靶面可被均匀刻蚀，利用率高达80%。一般来说，溅射靶材的晶粒尺寸必须控制在100微米以下，甚至其结晶结构的趋向性也必须受到严格的控制。

铌旋转靶材作为制备铌及其合金薄膜材料的重要原料，在液晶平板显示器、光学镜头、电子成像、信息储存、太阳能电池和玻璃镀膜等光电领域及船舶、化工等腐蚀环境中具有广泛的应用。铌旋转靶材要求产品整个轴向方向晶粒大小均匀一致，晶粒尺寸50~100μm，因此研究者对铌靶材的生产方法进行了深入的研究。例如：公开号为CN102489951A的中国专利公开了一种溅射用铌管状靶材的制备方法，该方法包括以下步骤：制备铌管坯；采用钢包套将铌管坯内、外壁及两头紧密包覆，焊接密封，然后进行热挤压，得到铌管靶；将铌管靶进行酸洗和热处理，即得到铌管状靶材。上述方法只是采用热挤压的方法对铌管坯进行加工，从而无法保证铌旋转靶材内部晶粒组织均匀性。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种内部晶粒组织均匀的铌旋转靶材铸锭的锻造方法。

有鉴于此，本发明提供了一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法，包括以下步骤：

将铌铸锭第一次预热，在预热后的铌铸锭表面涂覆第一抗氧化涂层；

将涂覆第一抗氧化涂层后的铌铸锭进行第一次热锻，将第一次热锻后的铌铸锭进行第一次热处理；

将第一次热处理后的铌铸锭进行第二次热锻，将第二次热锻后的铌铸锭进行第二次热处理。

优选的，所述第一次预热的温度为150℃~250℃。

优选的，所述第一抗氧化涂层为玻璃粉，所述抗氧化涂层的厚度为1mm~1.5mm。

优选的，将涂覆第一抗氧化涂层后的铌铸锭进行第一次热锻的步骤具体为：

将涂覆第一抗氧化涂层的铌铸锭第一次加热至365℃~472℃，第一次保温2h~4.5h，将保温后的铌铸锭进行第一次镦粗和第一次拔长，所述第一次镦粗和第一次拔长的总加工率为40%~65%。

优选的，所述第一次热锻之后与所述第一次热处理之前还包括：

将第一次热锻后的铌铸锭进行第一次酸洗。

优选的，所述第一次酸洗的酸液为盐酸、氢氟酸和硫酸的混合溶液，所述酸洗的时间为5min~10min。

优选的，所述第一热处理的温度为930℃~1300℃，所述第一次热处理的时间为60min~100min。

优选的，所述第一次热处理之后与所述第二次热锻之前还包括：

将第一次热处理后的铌铸锭进行第二次预热，在第二次预热后的铌铸锭表面涂覆第二抗氧化涂层。

优选的，所述第二次热锻之后与所述第二次热处理之前还包括：

将第二次热锻后的铌铸锭进行第二次酸洗。

优选的，将第一次热处理后的铌铸锭进行第二次热锻的步骤具体为：

将第一次热处理后的铌铸锭第二次加热至365℃~472℃，第二次保温2h~4.5h，将第二次保温后的铌铸锭进行第二次镦粗和第二次拔长，所述第二次镦粗的加工率为35%~50%。

本发明提供了一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法，首先将铌铸锭进行预热，在预热后的铌铸锭表面涂覆抗氧化涂层；然后进行第一次热锻造并进行热处理，从而得到晶粒初步细化的铌铸锭；然后进行第二次热锻，从而彻底打碎内部晶粒组织，得到晶粒细化的铌铸锭，最后再次进行热处理，以消除锻造过程中的内应力并促使锻造后的组织重新再结晶，从而得到晶粒均匀细化的铌旋转靶材用铌坯。在铌旋转靶材铸锭生产过程中，本发明主要采用锻造的方式，使得铸锭中部及心部的柱状晶区得到充分破碎，从而改善铌铸锭铸造态组织的不均匀程度；另一方面，通过两次锻造，消除了铌铸锭铸造态的枝晶、晶带、非等轴晶及粗晶等不良组织的存在，使铌铸锭的内部晶粒组织得到充分细化，最终得到了内部晶粒均匀细化的铌旋转靶材用铌坯。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法，包括以下步骤：

将铌铸锭第一次预热，在预热后的铌铸锭表面涂覆第一抗氧化涂层；

将涂覆第一抗氧化涂层后的铌铸锭进行第一次热锻，将第一次热锻后的铌铸锭进行第一次热处理；

将第一次热处理后的铌铸锭进行第二次热锻，将第二次热锻后的铌铸锭进行第二次热处理。

按照本发明，对于铌铸锭的处理方法，首先将铌铸锭预热，在预热后的铌铸锭表面涂覆抗氧化涂层，以防止铌铸锭的吸氢吸氧；然后将铌铸锭进行第一次热锻，将铌铸锭晶粒内部组织破碎，第一次热锻后进行热处理，得到晶粒初步细化的铌铸锭；随后进行第二次热锻，将铌铸锭内部晶粒充分破碎，从而保证铌铸锭内部组织晶粒的均匀性，再次进行热处理，从而得到晶粒均匀细小的铌坯。

本发明首先将铌铸锭进行预热，预热有利于铌铸锭表面的抗氧化涂层与铌铸锭表面粘结。所述预热的温度优选为150~250℃，更优选为175~225℃，最优选为200℃。为了防止热锻过程中铌铸锭的吸氢吸氧，将铌铸锭预热后则在铌铸锭表面涂覆抗氧化涂层。所述抗氧化涂层的厚度优选为1~1.5mm，以保证抗氧化涂层在铌铸锭表面能够涂覆均匀。

将铌铸锭表面涂覆抗氧化涂层后，则将铌铸锭进行第一次热锻。按照本发明，为了提高铌铸锭锻造过程中的塑性，保证铌铸锭的锻透性以及晶粒破碎的充分性，本发明选择了热锻的锻造方式。所述第一次热锻的具体步骤为：将涂覆抗氧化涂层的铌铸锭加热至365~472℃，保温2~4.5h后，对铌铸锭进行第一次轴向镦粗和第一次轴向拔长的锻造，锻造的总加工率为40%~65%。本领域技术人员熟知的，铸锭是采用电子束炉熔炼的，熔炼的方向是轴向的，即铸锭长度方向，延轴向熔炼过程中是产生粗晶、枝晶及晶带的方向，该方向也是塑性较好的方向。而轴向的镦粗加工能够在轴向上破碎铸造态的粗晶、枝晶等组织，使晶粒细化，同时轴向镦粗和轴向拔长铌铸锭容易变形，不易开裂。

在第一次热锻造完成后，为了避免在后续热处理过程中抗氧化涂层的汽化对铌铸锭表面质量的影响，本发明优选将第一次热处理后的铌铸锭进行酸洗，以将铌铸锭表面的抗氧化涂层除去。所述酸洗的酸液优选为氢氟酸、盐酸和硫酸的混合溶液。所述氢氟酸为市售的氢氟酸，其质量分数为35.35wt%，所述盐酸为市售的盐酸，其浓度为37%，所述硫酸为市售的浓硫酸，其浓度为98%，所述盐酸、氢氟酸与硫酸的体积比优选为5:3:2，所述酸液的温度优选为55℃~75℃，更优选为60~70℃。。为了使铌铸锭表面的玻璃粉能够洗涤干净，所述酸洗的时间优选为5~10min。

为了消除加工过程中铌铸锭内部的残余内应力，本发明在第一次热锻完成后，将铌铸锭进行了热处理。在锻造过程中铌铸锭会产生加工硬化，如果不进行热处理会增加第二次热锻的难度，甚至会引起加工开裂，同时为了使第一次锻造后的铌铸锭获得重新再结晶组织，与后续的第二次热锻配合进行再次晶粒破碎，本发明将第一次热锻后的铌铸锭进行热处理。所述热处理的温度优选为930~1300℃，更优选为1100~1200℃；所述热处理的时间优选为60~100min，更优选为80~90min。

按照本发明，铌铸锭进行第一次热处理后，则将热处理后的铌铸锭进行第二次热锻。如仅采用一次轴向镦粗和轴向拔长就结束锻造过程，则对铌铸锭的晶粒细化程度不高，达不到最终的组织效果，因此，本发明进行了第二次热锻。本发明进行第二次热锻能够再次充分的破碎铌铸锭内部晶粒组织，达到细化晶粒的效果。所述第二次锻造的具体步骤为：将第一次热处理后的铌铸锭第二次加热至365~472℃，第二次保温2~4.5h，将第二次保温后的铌铸锭进行第二次镦粗和第二次拔长，所述第二次镦粗的加工率为35%~50%。对于锻造的次数还可以是三次四次甚至更多次，本发明并没有特别的限制，但是出于成本和效率的考虑，本发明优选进行了两次锻造。

为了防止铌铸锭在锻造过程中吸氢吸氧，作为优选方案，所述第二次热锻之前还包括：将第一次热处理后的铌铸锭进行第二次预热，在第二次预热后的铌铸锭表面涂覆第二抗氧化涂层。所述第二次预热的温度优选为150~250℃，更优选为180~230℃，最优选为200℃。

按照本发明，在第二次热锻造完成后，为了消除锻造过程中的残余应力，使铌铸锭的内部组织均匀细小，则将第二次热锻后的铌铸锭进行第二次热处理。所述第二次热处理的温度优选为930~1300℃，更优选为1000~1200℃；所述第二次热处理的时间优选为60~100min，更优选为80~90min。

本发明提供了一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法，首先将铌铸锭进行预热，在预热后的铌铸锭表面涂覆抗氧化涂层；然后进行第一次热锻造并进行热处理，从而得到晶粒初步细化的铌铸锭；然后进行第二次热锻，从而彻底打碎内部晶粒组织，得到晶粒细化的铌铸锭，最后再次进行热处理，以消除锻造过程中的内应力，从而得到晶粒均匀细化的锻造后的铌铸锭，将得到的铌铸锭作为挤压处理前的铌坯，有利于得到晶粒均匀细化的铌靶材。本发明主要采用锻造的方式，使得铸锭中部及心部的柱状晶区得到充分破碎，从而改善铌铸锭铸造态组织的不均匀程度；另一方面，通过两次锻造，消除了铌铸锭铸造态的枝晶、晶带、非等轴晶及粗晶等不良组织的存在，使铌铸锭的内部晶粒组织得到充分细化，最终得到了内部晶粒均匀细化的铌旋转靶材用铌坯。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铌铸锭的锻造方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

1）熔炼直径为190mm、长度为350mm，化学成分为Nb≥99.95%的铌锭，电子束熔炼两次；

2）将步骤1）得到的铌锭预热200℃，涂抹玻璃粉，锭材加热400℃，保温3h，对铌锭进行轴向镦粗到200mm，拔长到200×200×245mm；

3）将步骤2）得到的铌锭进行酸洗：HCl：HF：H₂SO₄=5：3：2（体积比），酸洗时间10min，去除表面杂质及玻璃粉，肉眼观察可见铌金属光泽无杂斑即可；

4）将步骤3）得到的铌锭进行热处理：热处理温度为1000℃，保温时间为60min；

5）将步骤4）得到的铌锭预热至200℃，涂抹1.5mm玻璃粉；

6）将步骤5）得到的铌锭镦粗到160mm，锻造打方190×190mm，最后锻造打圆到Φ200mm；

7）将步骤6）中得到的铌锭进行酸洗HCl：HF：H₂SO₄=5：3：2（体积比），酸洗时间10分钟，去除表面杂质及玻璃粉，肉眼观察可见铌金属光泽无杂斑后进行热处理，热处理的温度为1000℃，保温时间为60min，得到铌溅射靶材用铌坯。

实施例2

1）熔炼直径为290mm、长度650mm，化学成分为Nb≥99.95%的铌锭，电子束熔炼2次；

2）将步骤2）得到的铌锭预热220℃，涂抹玻璃粉，锭材加热380℃，保温2h。对铌锭进行轴向镦粗到380mm，拔长到290×290×510mm；

3）将步骤2）得到的铌锭进行酸洗：HCl：HF：H₂SO₄=5：3：2（体积比），酸洗时间8min，去除表面杂质及玻璃粉，肉眼观察可见铌金属光泽无杂斑即可；

4）将步骤3）得到的铌锭进行热处理：热处理温度为950℃，保温时间为80min；

5）将步骤4）得到的铌锭进行镦粗到350mm，锻造打方250×250mm，最后锻造打圆到Φ265mm；

6）将步骤5）得到的铌锭进行热处理，温度为1000℃，保温时间为100min，得到铌溅射靶材用铌坯。实施例3

1）熔炼直径为480mm、长度500mm，化学成分为Nb≥99.95%的铌锭，电子束熔炼2次；

2）将步骤1）得到的铌锭预热250℃，涂抹玻璃粉，锭材加热450℃，保温4.5h。对铌锭进行轴向镦粗到300mm，拔长到480×480×390mm；

3）将步骤2）得到的铌锭进行酸洗：HCl：HF：H₂SO₄=5：3：2（体积比），酸洗时间10min，去除表面杂质及玻璃粉，肉眼观察可见铌金属光泽无杂斑即可；

4）将步骤3）得到的铌锭进行热处理：热处理温度为1200℃，保温时间为100min；

5）将步骤4）得到的铌锭预热至230℃，涂抹1mm玻璃粉；

6）将步骤5）得到的铌锭进行镦粗到270mm，锻造打方290×290mm，最后锻造打圆到Φ300mm；

7）将步骤6）得到的铌锭进行酸洗HCl：HF：H₂SO₄=5：3：2（体积比），酸洗时间10分钟，去除表面杂质及玻璃粉，肉眼观察可见铌金属光泽无杂斑后进行热处理，热处理的温度为1200℃，保温时间为100min，得到铌溅射靶材用铌坯。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种铌旋转靶材铸锭的锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：

将铌铸锭第一次预热，在预热后的铌铸锭表面涂覆第一抗氧化涂层；

将涂覆第一抗氧化涂层的铌铸锭第一次加热至365℃～472℃，第一次保温2h～4.5h，将保温后的铌铸锭进行第一次镦粗和第一次拔长，第一次镦粗和第一次拔长的总加工率为40％～65％，将第一次热锻后的铌铸锭进行第一次热处理；

将第一次热处理后的铌铸锭第二次加热至365℃～472℃，第二次保温2h～4.5h，将第二次保温后的铌铸锭进行第二次镦粗和第二次拔长，所述第二次镦粗的加工率为35％～50％，将第二次热锻后的铌铸锭进行第二次热处理。

2.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述第一次预热的温度为150℃～250℃。

3.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述第一抗氧化涂层为玻璃粉，所述抗氧化涂层的厚度为1mm～1.5mm。

4.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述第一次热锻之后与所述第一次热处理之前还包括：

将第一次热锻后的铌铸锭进行第一次酸洗。

5.根据权利要求4所述的锻造方法，其特征在于，所述第一次酸洗的酸液为盐酸、氢氟酸和硫酸的混合溶液，所述酸洗的时间为5min～10min。

6.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述第一次热处理的温度为930℃～1300℃，所述第一次热处理的时间为60min～100min。

7.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述第一次热处理之后与所述第二次热锻之前还包括：

将第一次热处理后的铌铸锭进行第二次预热，在第二次预热后的铌铸锭表面涂覆第二抗氧化涂层。

8.根据权利要求7所述的锻造方法，其特征在于，所述第二次热锻之后与所述第二次热处理之前还包括：

将第二次热锻后的铌铸锭进行第二次酸洗。