本发明涉及溅射靶材技术领域，具体涉及一种旋转银铜靶材及制备方法。
背景技术：
靶材作为溅射镀膜中的重要耗材，其质量直接关系镀膜产品的优劣。影响靶材质量的主要因素是：靶材致密度、晶粒尺寸大小及均匀性等。晶粒尺寸越小、成分越均匀，溅射速度越快，成膜质量越好。
纯cu靶材存在电迁移、易氧化、抗软化温度低、耐热性能差、强度低等问题，亟需开发一种新型铜合金靶材。
中国专利cn110318024a公开了一种银铜合金靶材及其制备方法，该方法将保护气氛下熔炼得到的银铜液态合金进行喷射沉积处理，得到铸锭；再依次进行均匀化退火、ecap挤压、低温退火、镦粗变形和轧制处理；最后进行再结晶退火处理，得到银铜合金靶材，但该制备方法工序较多，操作步骤多，不适合大规模工业生产。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种旋转银铜靶材及制备方法，该方法工艺简单、操作方便，适合大规模工业生产，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，本发明采取的技术方案如下：
一种旋转银铜靶材的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备粒径d10≥20μm，d90≤70μm的银铜粉末；
(2)以不锈钢管或钛管作为靶材基管，对靶材基管依次进行表面喷砂处理和打底处理；
(3)冷喷涂：将打底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，将银铜粉末通过喷枪冷喷涂到靶材基管表面，沉积形成涂层，得到靶材。
本发明采用冷喷涂工艺制备银铜靶材，工艺简单，操作方便，通过优选银铜粉末的粒径，制备得到的靶材的涂层致密度高，晶粒尺寸小，合金成分稳定等。
优选地，所述银铜粉末的纯度≥99.99％，所述银铜粉末为银包铜粉或银铜合金粉，更优选为银包铜粉，采用银包铜粉制备靶材，粉末利用率高，且靶材氧含量低。银包铜粉是通过在铜粉表面镀一层银，避免铜与空气接触，提高铜粉的抗氧化性。
优选地，所述银包铜粉中银的含量为0.08-6wt％。当含银量少时，铜的电导率和热导率的下降幅度较小，银的添加对铜合金塑性的影响也甚微，同时，银的添加能够显著提高铜的再结晶温度、蠕变强度。当含银量增加时，铜银合金的纤维组织会有明显的不同。虽然银原子对铜导电率的影响较小，但只有适当的银含量引起的晶格畸变会使铜银合金在硬度与强度方面物理性能都更加出色。融入铜中的银原子造成晶格畸变，形成了晶体点缺陷和线缺陷，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使得形成的铜银合金强度与硬度增加；而与此同时，晶格畸变使塑性形变变得更加困难，韧性降低。
优选地，所述步骤(1)中，靶材基管为304无磁不锈钢管，成本较低。
喷砂处理是指采用磨料对靶材基管表面进行喷砂，去除靶材基管表面污垢和氧化层，优选地，所述步骤(2)中，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，所述步骤(2)中，打底处理的方式为电弧喷涂，打底处理所用的原料选自丝材，所述丝材选自铜铝丝、铜镍丝、镍铝丝、蒙乃尔丝中的至少一种，优选为铜铝丝，选用铜铝丝电弧喷涂，具有以下优点：1)成本相对低；2)打底后表面活化性能高，与后续喷涂涂层结合强度高；3)环境污染小。
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。靶材基管的转速快，有利于降低靶材内应力；但太快对设备要求高，也不利于长期稳定生产，综合考虑，本发明优选为150-180r/min。
优选地，所述步骤(3)中，喷枪的移动速度为15-25mm/s。在冷喷涂中，可根据喷嘴的大小来初步估算火焰涂层的宽度，再由转速来确定移动速度。这样可避免涂层呈现竖条纹状，有利于降低喷涂成本。
优选地，所述步骤(3)中，冷喷涂的工艺参数为：主气压力为4.5-6.5mpa，载气压力为4.7-7mpa，主气加热温度为400℃-1000℃，喷枪距离为10-50mm。对于冷喷涂来说，粒子动能是关键。气体压力大，粒子的速度相对大。结合生产实际情况，主气压力选择4.5-6.5mpa。在气体压力一定时，通过加热预热气体，能进一步提高粉末粒子的速度；同时，较高的温度有利于粉末粒子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400-1000℃。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。这个需要综合考虑各种因素的影响，选择最佳的喷涂距离。
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。
所述旋转银铜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，得到旋转银铜靶材成品的步骤。
本发明在冷喷涂设有冷却装置，其目的是减少靶材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。
本发明还提供了根据上述方法制备得到的旋转银铜靶材，所述靶材的纯度≥99.99％，厚度为3～12mm，长度为4000mm，氧含量≤1000ppm，晶粒尺寸≤20μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的制备工艺简单、操作方便，适合大规模工业生产，所制得的旋转银铜靶材纯度高(≥99.99％)，尺寸不受限制，厚度可达到3～12mm，长度可达到4000mm，氧含量低(≤1000ppm)，晶粒尺寸≤20μm。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种旋转银铜靶材的制备方法，包括以下步骤：
1)制备得到d10＝22μm、d90＝69μm，纯度4n的银铜合金粉，银铜合金粉中ag的含量为0.1wt％；
2)选用内径80mm、外径88mm、管长500mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管表面进行喷砂处理；再使用铜镍丝电弧打底；
3)将打底处理后的靶材基管安装在传动设备上，调节电机使其绕中心轴转动；启动冷喷涂设备，冷喷涂喷枪在水平方向上相对往返运动，通入常温水；银铜合金粉末通过冷喷涂喷枪高速溅射到基管表面沉积形成涂层，得到靶材，其中冷喷涂的工艺参数如表1所示；
4)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。
经检测，本实施例制备的旋转银铜靶材的密度96％，氧含量920ppm，粉末利用率78％，涂层表面致密无裂纹，晶粒尺寸≤20μm。
实施例2
一种旋转银铜靶材的制备方法，包括以下步骤：
1)制备得到d10＝22μm、d90＝69μm，纯度4n的银包铜粉，银包铜粉中ag的含量为0.5wt％；
2)选用内径80mm、外径88mm、管长600mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管表面进行喷砂处理；再使用铜镍丝电弧打底。
3)将打底处理后的靶材基管安装在传动设备上，调节电机使其绕中心轴转动；启动冷喷涂设备，冷喷涂喷枪在水平方向上相对往返运动，通入常温水；银包铜粉末通过冷喷涂喷枪高速溅射到基管表面沉积形成涂层，得到靶材，其中冷喷涂的工艺参数如表1所示；
4)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。
经检测，本实施例制备的旋转银铜靶材的密度96％，氧含量880ppm，粉末利用率75％，涂层表面致密无裂纹，晶粒尺寸≤20μm。
实施例3
一种旋转银铜靶材的制备方法，包括以下步骤：
1)制备得到d10＝25μm、d90＝65μm，纯度4n的银铜合金粉，银铜合金粉中ag含量为2wt％；
2)选用内径100mm、外径108mm、管长1120mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管表面进行喷砂处理；再使用铜镍丝电弧打底。
3)将打底处理后的靶材基管安装在传动设备上，调节电机使其绕中心轴转动；启动冷喷涂设备，冷喷涂喷枪在水平方向上相对往返运动，通入常温水为循环冷却水；银铜合金粉通过冷喷涂喷枪高速溅射到基管表面沉积形成涂层，得到靶材，其中冷喷涂的工艺参数如表1所示；
4)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。
经检测，本实施例制备的旋转银铜靶材的密度96.5％，氧含量850ppm，粉末利用率84％，涂层表面致密无裂纹，晶粒尺寸≤20μm。
实施例4
一种旋转银铜靶材的制备方法，包括以下步骤：
1)制备得到d10＝25μm、d90＝65μm，纯度4n5的银铜合金粉，银铜合金粉中ag含量为4wt％；
2)选用内径125mm、外径133mm、管长1600mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管表面进行喷砂处理；再使用铜镍丝电弧打底。
3)将打底处理后的靶材基管安装在传动设备上，调节电机使其绕中心轴转动；启动冷喷涂设备，冷喷涂喷枪在水平方向上相对往返运动，通入常温水为循环冷却水，银铜合金粉通过冷喷涂喷枪高速溅射到基管表面沉积形成涂层，得到靶材，其中冷喷涂的工艺参数如表1所示；
4)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。
经检测，本实施例制备的旋转银铜靶材的密度97％，氧含量800ppm，粉末利用率88％，涂层表面致密无裂纹，晶粒尺寸≤20μm。
实施例5
一种旋转银铜靶材的制备方法，包括以下步骤：
1)制备得到d10＝30μm、d90＝70μm，纯度4n5的银铜合金粉，银铜合金粉中ag含量为5wt％；
2)选用内径125mm、外径133mm、管长2600mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管表面进行喷砂处理；再使用铜镍丝电弧打底。
3)将打底处理后的靶材基管安装在传动设备上，调节电机使其绕中心轴转动；启动冷喷涂设备，冷喷涂喷枪在水平方向上相对往返运动，通入常温水为循环冷却水；银铜合金粉通过冷喷涂喷枪高速溅射到基管表面沉积形成涂层，得到靶材，其中冷喷涂的工艺参数如表1所示；
4)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。
经检测，本实施例制备的旋转银铜靶材的密度97.5％，氧含量760ppm，粉末利用率91％，涂层表面致密无裂纹，晶粒尺寸≤20μm。
对比例1
一种旋转银铜靶材的制备方法，包括以下步骤：
1)制备得到d10＝15μm、d90＝75μm，纯度4n5的银铜合金粉，银铜合金粉中ag含量为5wt％；
2)选用内径125mm、外径133mm、管长2600mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管表面进行喷砂处理；再使用铜镍丝电弧打底。
3)将打底处理后的靶材基管安装在传动设备上，调节电机使其绕中心轴转动；启动冷喷涂设备，冷喷涂喷枪在水平方向上相对往返运动，通入常温水为循环冷却水；银铜合金粉通过冷喷涂喷枪高速溅射到基管表面沉积形成涂层，得到靶材，其中冷喷涂的工艺参数如表1所示；
4)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。
经检测，本对比例制备的旋转银铜靶材的密度94.5％，氧含量1200ppm，粉末利用率71％。
对比例2
一种旋转银铜靶材的制备方法，包括以下步骤：
1)制备得到d10＝30μm、d90＝70μm，纯度4n5的银铜合金粉，银铜合金粉中ag含量为10wt％；
2)选用内径125mm、外径133mm、管长2600mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管表面进行喷砂处理；再使用铜镍丝电弧打底。
3)将打底处理后的靶材基管安装在传动设备上，调节电机使其绕中心轴转动；启动冷喷涂设备，冷喷涂喷枪在水平方向上相对往返运动，通入常温水为循环冷却水；银铜合金粉通过冷喷涂喷枪高速溅射到基管表面沉积形成涂层，得到靶材，其中冷喷涂的工艺参数如表1所示；
4)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。
经检测，本实施例制备的旋转银铜靶材的密度96％，氧含量800ppm，粉末利用率86％。
实施例1-5和对比例1-2的冷喷涂工艺参数一览表
实施例1-2采用相同粒径、相同纯度的粉末，一个是银铜合金粉，一个是银包铜粉；二者喷涂后粉末利用率和氧含量会不同。从结果上看，银铜合金粉更有优势。
实施例5和对比例1采用同一粉末，纯度相同，粒径不同。对比例1车加工靶材时，能明显发现表观不良且车下来的残屑呈颗粒状而并非为丝状。这是由于粒径偏小的粒子虽有一定的速度和温度，但这种速度和温度是相对的，加上本身比表面积大，非常容易粘附在喷枪口内壁，经一段时间后，要么被带出撞击在涂层上形成“麻点”，要么堵死喷枪口及毁坏喷枪。
实施例5和对比例2采用同一粉末，纯度相同，粒径相同，仅主气加热温度等参数不同。实施例5主气温度高，粒子加速后的速度大，大部分粒子能超过临界速度而形成涂层，沉积率自然高。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。