本发明涉及溅射靶材
技术领域：
，具体涉及一种旋转钛靶及其制备方法。
背景技术：
：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，本发明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。本发明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。本发明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。本发明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。本发明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，本发明的有益效果为：本发明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1：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝30μm，纯度3n5的钛粉；2)选用内径80mm、外径88mm、管长500mm的钛管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管进行喷砂处理后，再使用铜镍丝电弧打底，打底处理后靶材基管的表面粗糙度ra为260-350μm；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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表1：表14)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本实施例制得的钛靶的涂层的厚度为3mm，密度95％，氧含量1000ppm，粉末利用率65％，涂层结合强度为86mpa。实施例2：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝35.8μm，纯度4n的钛粉；2)选用内径100mm、外径108mm、管长850mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管进行喷砂处理后，再使用铜镍丝电弧打底，打底处理后靶材基管的表面粗糙度ra为260-350μm；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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表2：表2主气压力mpa主气流量slpm主气加热温度℃5.52200750基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷枪距离mm13030354)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本实施例制得的钛靶的涂层的厚度为5mm，密度95％，氧含量950ppm，粉末利用率74％。实施例3：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝40μm，纯度4n5的钛粉；2)选用内径125mm、外径133mm、管长1220mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管进行喷砂处理后，再使用铜镍丝电弧打底，打底处理后靶材基管的表面粗糙度ra为260-350μm；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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表3：表3主气压力mpa主气流量slpm主气加热温度℃5.52220830基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷枪距离mm15025454)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本实施例制得的钛靶的涂层的厚度为7.5mm，密度96％，氧含量850ppm，粉末利用率81％。实施例4：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝45μm，纯度4n5的钛粉；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进行喷砂处理后，再使用铜镍丝电弧打底，打底处理后靶材基管的表面粗糙度ra为260-350μm；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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表4：表44)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本实施例制得的钛靶的涂层的厚度为9mm，密度96％，氧含量800ppm，粉末利用率89％。实施例5：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝55μm，纯度5n的钛粉；2)选用内径125mm、外径133mm、管长3191mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管进行喷砂处理后，再使用铜镍丝电弧打底，打底处理后靶材基管的表面粗糙度ra为260-350μm；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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为6mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表5：4)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本实施例制得的钛靶的涂层的厚度为10.5mm，密度96.5％，氧含量750ppm，粉末利用率94％。表5主气压力mpa主气流量slpm主气加热温度℃62170890基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷枪距离mm1802030实施例6：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝60μm，纯度5n的钛粉；2)选用内径125mm、外径133mm、管长38970mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管进行喷砂处理后，再使用铜镍丝电弧打底，打底处理后靶材基管的表面粗糙度ra为260-350μm；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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为7mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表6：表6主气压力mpa主气流量slpm主气加热温度℃6.52170920基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷枪距离mm18020304)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本实施例制得的钛靶的涂层表面有较小坑点，厚度为12mm，密度95％，氧含量926ppm，粉末利用率80％。对比例1：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝30μm，纯度3n5的钛粉；2)选用内径125mm、外径133mm、管长500mm的钛管作为靶材基管，用无水酒精去除表面污垢等杂质；3)将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；同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表7：表74)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本对比例制得的钛靶涂层无裂纹及坑点，靶材各指标如下：厚度为3mm，密度95％，氧含量980ppm，粉末利用率57％，结合强度为78mpa。从实施例1与对比例1，我们可以看到：对于同一粉末在钛管上冷喷涂时，直接喷涂(对比例1)与喷砂打底处理后喷涂(实施例1)的差异主要在于涂层结合强度的不同，而粉末利用率差异不大。这关系到后续钛靶残靶的修复。对比例2：一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝40μm，纯度3n的钛粉；2)选用内径125mm、外径133mm、管长1220mm的不锈钢管作为靶材基管；使用铸钢砂对靶材基管进行喷砂处理后，再使用铜镍丝电弧打底，打底处理后靶材基管的表面粗糙度ra为260-350μm；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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表8：表8主气压力mpa主气流量slpm主气加热温度℃5.52220830基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷枪距离mm15025454)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本对比例制得的钛靶的涂层厚度为7.5mm，密度96％，氧含量900ppm，粉末利用率68％。就实施例3与对比例2，相同粒度的粉末，相同的喷涂工艺参数，而粉末纯度越高，塑性变形越好，粉末利用率相对高。对比例3一种旋转钛靶的制备方法，包括以下步骤：1)制备得到d50＝90μm，纯度4n5的钛粉；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进行喷砂处理后，再使用铜镍丝电弧打底，打底处理后靶材基管的表面粗糙度ra为260-350μm；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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛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，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表9：表9主气压力mpa主气流量slpm主气加热温度℃6.52170920基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷枪距离mm15030404)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，本对比例制得的钛靶涂层无裂纹，但有较大的坑点。涂层厚度为9mm，密度92％，氧含量900ppm，粉末利用率77％。就实施例4与对比例3，粉末粒度不同，纯度相同。当粉末粒径变大后，即使增加主气压力和主气温度以期望粒子高速运行后能塑性变形，但仍有粒径较大的粒子未变形而形成坑点；且随着涂层厚度的增加，坑点会由小逐渐变大，最后有可能呈现“蜂窝”状。从上述各实施例和对比例，钛粉的纯度≥4n；d50＝30～60μm；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。本发明还提供了两种旋转钛靶的修复方法。一种是直接在钛靶上直接冷喷，主要对于钛靶使用周期内表面出现问题而修复，这种修复方法具体为：残靶表面用无水乙醇擦拭干净，对其进行冷喷涂。这样可保证晶粒尺寸的稳定性，不至于结合层粘有铸钢砂等，影响终端镀膜产品。另一种是残靶表面用无水乙醇擦拭干净后，对残靶表面喷砂处理后再进行冷喷涂，这种方法主要针对于设备商更换下来的残靶。这些残靶是到达使用寿命后，替换下来的。因此，为保证在残靶上面喷涂较厚的涂层，需要对残靶表面喷砂处理有利于获得更大的结合强度。实施例7：本实施例为在客退一体式钛靶上修复喷涂4mm涂层，具体包括以下步骤：1)制备得到d50＝45μm，纯度5n的钛粉(客退钛靶纯度5n)；2)此一体式钛靶经观察：表面有很多黑点、凹坑、色差等等；先对表面进行加工处理，除去一定厚度的涂层，直至无异常，用无水乙醇擦拭干净，记录当前钛靶涂层外径尺寸a；3)将钛靶安装在传动设备上，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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛粉通过冷喷涂喷枪高速溅射到钛靶表面沉积形成涂层，得到靶材，其中，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表10：表10主气压力mpa主气流量slpm主气加热温度℃52170900基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷枪距离mm18020304)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品，喷涂后靶材涂层外径尺寸b。经检测，修复后的钛靶的密度95％，氧含量750ppm，粉末利用率94％。对靶材进行破坏性试验：从涂层外径尺寸b开始往下车，直至接近外径尺寸a，观察接触面情况。结果未发现有“起皮”等现象。实施例8：本实施例为在钛靶残靶上修复喷涂9mm涂层，具体包括以下步骤：1)制备得到d50＝45μm，纯度4n的钛粉(钛靶残靶纯度4n)；2)此残靶表面用无水乙醇擦拭干净即可；3)将残靶安装在传动设备上，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，同时除尘风口正对喷枪这一圆周区域且跟随喷枪来回移动，便于收集未沉积的粉末，钛粉通过冷喷涂喷枪高速溅射到钛靶表面沉积形成涂层，得到靶材，其中，冷喷涂所用主气和载气采用氮气，载气压力为5mpa，冷喷涂的工艺参数具体如表11：表11主气压力mpa主气流量slpm主气加热温度℃5.52170900基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷枪距离mm18020304)将冷喷涂完成后的靶材进行机加工，制得成品。经检测，修复后的钛靶的密度96％，氧含量780ppm，粉末利用率92％。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。当前第1页12