一种旋转靶材的生产方法及装置与流程

1.本发明涉及旋转靶材制备技术领域，特别是涉及一种旋转靶材的生产方法及装置。


背景技术：

2.近年来，靶材的制备得到了日新月异的发展。靶材主要分为平面靶、旋转靶和多弧靶等。不管是国际市场还是国内市场，平面靶材都占据主导地位，但旋转靶材的市场份额在不断提升。相较于旋转靶材，平面靶材使用率偏低，约为20％～30％，而旋转靶材利用率可达到80％。制约旋转靶发展的主要是研发难度较大，主要表现为缺乏生产设备及生产工艺。
3.针对低熔点旋转靶，包括低熔点金属及其合金靶，如in、sn、insn合金靶等，目前的生产方法主要有喷涂法、离心铸造法和熔炼法等。喷涂法制备的靶材容易出现孔洞，而且氧化严重。离心铸造法所需的生产设备昂贵，制备过程危险性高，且成品的质量不佳。熔炼法可以制得较纯靶材，但是靶材受限于设备，难以制作较长靶材，且靶材晶粒较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：提供一种旋转靶材的生产方法及装置，其能制造出长度较长、晶粒较小的旋转靶材。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种旋转靶材的生产方法，其包括以下步骤：
6.将背管竖直安装在外模的腔体内；其中，所述背管的底端通过下延长件与所述腔体底壁连接；所述背管的顶部连接有上延长件；所述背管、所述上延长件和所述下延长件均与所述腔体形成环形腔室；
7.往所述环形腔室内浇注熔融的金属液体；
8.转动所述外模、所述背管、所述上延长件和所述下延长件；往所述背管内注入冷却水，通过控制所述冷却水的流量及排水时间，调整金属液体的冷却速率；
9.待金属液体冷却成固体金属后，脱去所述外模；切去所述固体金属的两端。
10.可选地，在往所述环形腔室内浇注熔融的金属液体的步骤中，具体为，从所述环形腔室的顶部从下至上浇注所述金属液体；
11.在往所述背管内注入冷却水的步骤中，具体为：从下往上往所述背管内注入所述冷却水。
12.可选地，在通过控制所述冷却水的流量及排水时间，调整所述金属液体的冷却速率的步骤中，具体为：控制所述冷却水的流量为1000l/h～2000l/h，所述冷却水的排水时间为10s～60s。
13.可选地，在往所述背管内注入冷却水的步骤中，应始终保持所述金属液体的液面高度比所述冷却水的液面高度高出100mm。
14.可选地，在转动所述外模、所述背管、所述上延长件和所述下延长件的步骤中，具体为：以6rpm～15rpm的转速转动所述外模、所述背管、所述上延长件和所述下延长件。
15.可选地，在往所述环形腔室内浇注熔融的金属液体的步骤前还包括：往浇注装置装入所述金属液体，并将所述金属液体加热至180℃～300℃。
16.可选地，在往浇注装置装入所述金属液体，并将所述金属液体加热至180℃～300℃的步骤后，还包括：对所述金属液体进行捞渣，直至所述金属液体的液面呈镜面光亮。
17.可选地，在往所述环形腔室内浇注熔融的金属液体的步骤前还包括：预热所述外模至200℃，并用惰性气体将所述环形腔室内的空气置换出来。
18.为了解决相同的技术问题，本发明还提供一种旋转靶材的生产装置，其包括：
19.旋转装置；
20.外模；所述外模竖直设置在所述旋转装置上；所述外模具有敞口朝上的腔体；
21.背管；所述背管竖直设置在所述旋转装置上并位于所述腔体内；所述背管和所述腔体内壁之间形成环形腔室；
22.上延长件；所述上延长件可拆卸地连接在所述背管的顶端；
23.下延长件；所述下延长件可拆卸地连接在所述旋转装置的上表面和所述背管的底端之间；及
24.浇注装置；所述浇注装置的浇注口位于所述环形腔室的上方。
25.可选地，所述背管的轴线分别与所述下延长件的轴线、所述上延长件的轴线和所述外模的轴线重合；
26.所述上延长件的外表面沿径向延伸有至少两个均匀设置在所述上延长件外表面的上对中杆；所述下延长件的外表面沿径向延伸有至少两个均匀设置在所述下延长件外表面的下对中杆；
27.所述背管的外周面和所述腔体内壁之间的距离分别与所述上对中杆和所述下对中杆的长度相同。
28.本发明提供的一种旋转靶材的生产方法及装置与现有技术相比，其有益效果在于：本发明在背管上增加上延长件和下延长件，以控制靶材长度。在脱去外模后需要切去固体金属的两端，控制工艺，使得靶材的缺陷集中在与下延长件对应的金属部分，提高旋转靶材的生产质量。本发明控制所述金属液体的冷却速率，控制靶材晶粒大小，进一步提高靶材质量。
附图说明
29.图1是本发明实施例一的旋转靶材的生产方法的步骤示意图；
30.图2是本发明实施例一的旋转靶材的生产装置的结构示意图。
31.图中，1、外模；2、环形腔室；3、背管；4、旋转装置；5、浇注装置；6、上对中杆；7、下对中杆；8、上延长件；9、下延长件。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
33.在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方
位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.实施例一
36.如图1所示，本发明的优选实施例的一种旋转靶材的生产方法，其包括以下步骤：
37.将背管3竖直安装在外模1的腔体内；其中，背管3的底端通过下延长件9与腔体的底壁连接；背管2的顶部连接有上延长件8；背管3、上延长件8和下延长件9均与腔体形成环形腔室2；
38.往环形腔室2内浇注熔融的金属液体；
39.转动外模1、背管3、上延长件8和下延长件9；冷却金属液体，并控制金属液体的冷却速率，具体操作为：往背管3内注入冷却水，通过控制冷却水的流量及排水时间，调整金属液体的冷却速率；
40.待金属液体冷却成固体金属后，脱去外模1；切去固体金属的两端。
41.基于上述技术方案，本发明提供的生产方法将上延长件8和下延长件9安装在背管3的两端，通过上延长件8和下延长件9控制制备靶材的长度，可以制出长度达3.8m的靶材。将背管3竖直放置在外模1的腔体中心处，使得背管3的外周面、上延长件8的外周表面和下延长件9的外表面均与腔体的环形内壁构成用于形成靶材的环形腔室2。往环形腔室2内灌入的金属液体可以是由低熔点金属及其合金按一定配比形成的液体，又可以是某种纯金属液体。再通过转动和冷却操作，使得位于环形腔室2内的金属液体冷却成固体金属。其中，通过控制冷却速率可以控制靶材晶粒大小，通过控制冷却方式及旋转速度可以控制缺陷分布。采用冷却水，利用热传导原理冷却设置在背管3外的金属液体，操作简单。而且还可以使得金属液体从内部至外部依序凝固。通过控制冷却水的流量及排水时间，调整冷却速率，确保生产出来的靶材的晶粒大小符合标准。该生产方法能制造较长的靶材，并控制靶材晶粒大小，实现延长靶材长度和控制靶材质量的效果。
42.其中，在往环形腔室2内浇注熔融的金属液体的步骤中，具体为，从环形腔室2的顶部从下至上浇注金属液体。采用顶部浇注的方式，防止由于采用底部浇注造成的浇注通道堵塞。在往背管3内注入冷却水的步骤中，具体为：从下往上往背管3内注入冷却水，确保金属液体从下至上按顺序凝固。在通过控制冷却水的流量及排水时间，调整金属液体的冷却速率的步骤中，具体为：控制冷却水的流量为1000l/h～2000l/h，冷却水的排水时间为10s～60s，能够在最低成本的情况下将金属液体冷却成固体金属。若冷却水流量过小或排水时间过短，则无法实现冷却效果。若冷却水流量过大或排水时间过长，则会浪费冷却水，增加旋转靶材的生产成本。
43.更具体地，在往背管3内注入冷却水的步骤中，应始终保持金属液体的液面高度与冷却水的液面高度之间有100mm的液位差。金属液体的液面高度高出于冷却水的液面高度，
以确保冷却效果。
44.此外，在转动外模1、背管3、上延长件8和下延长件9的步骤中，具体为：以6rpm～15rpm的转速转动外模1、背管3、上延长件8和下延长件9。利用离心作用确保位于背管3内的冷却水能够冷却整个环形腔室2内的金属液体。在转动时，环形腔室2内的金属液体处于流动状态，使得金属液体的热量能够传输给背管3内的冷却水，确保冷却效果。
45.另外，在往环形腔室2内浇注熔融的金属液体的步骤前还包括：往浇注装置5装入金属液体，并将金属液体加热至180℃～300℃。将金属液体加热到指定稳定，确保所有金属都处于熔融状态，以便注入环形腔室2内。在往浇注装置5装入金属液体，并将金属液体加热至180℃～300℃的步骤后，还包括：对金属液体进行捞渣，直至金属液体的液面呈镜面光亮。本实施例中在浇注之前进行三次捞渣操作，减少靶材内部杂质。
46.可选地，在往环形腔室2内浇注熔融的金属液体的步骤前还包括：预热外模1至200℃，并用惰性气体将环形腔室2内的空气置换出来。浇注前，通过预热外模1，去除环状腔体内部的水分。通过往环形腔室2内通惰性气体，排除环形腔室2内部的氧化性气体，降低浇注过程金属的氧化。在用惰性气体将环形腔室2内的空气置换出来的步骤中，具体为：往环形腔室2内充入氩气，氩气流量为10l/min，置换时间为0.5h，确保环形腔室2内的空气被完全置换出来。
47.为了解决相同的技术问题，如图2所示，本发明还提供一种旋转靶材的生产装置，其包括旋转装置4、外模1、背管3、上延长件8、下延长件9及浇注装置5。本技术中的旋转装置4可以是专利公开号为cn110607509a的曲面镀膜装置。外模1为圆环形的筒体结构。外模1竖直设置在旋转装置4上；外模1具有敞口朝上的腔体。背管3竖直设置在旋转装置4上并位于腔体内；背管3和腔体内壁之间形成环形腔室2。上延长件8可拆卸地连接在背管3的顶端；下延长件9可以是圆柱状结构。下延长件9可拆卸地连接在旋转装置4的上表面和背管3的底端之间。浇注装置5为加热炉或熔化炉。浇注装置5的浇注口位于环形腔室2的上方。
48.基于上述技术方案，外模1和背管3均设置在旋转装置4上，能够随旋转装置4的转动而转动。上延长件8和下延长件9均和通过高温胶布与背管3贴好固定。背管3两端分别与上延长件8、下延长件9之间的缝隙以及下延长件9与旋转装置4之间的安装间隙使用耐高温胶密封。环形腔室2为金属液体的倒入和冷却提供空间。浇注装置5内装有熔融的金属液体，用于加热金属液体到一定的浇注温度。通过外模1和背管3确定靶材的成型空间，通过下延长件9控制靶材的长度，通过浇注装置5提供制造靶材的原料，以方便工作人员制造出粒度小、长度长的旋转靶材。
49.值得一提的是，背管3的轴线分别与下延长件9的轴线、上延长件8的轴线和外模1的轴线重合，确保环形腔室2厚度均匀，能够制造成厚度均匀一致的靶材。上延长件8的外表面沿径向延伸有至少两个均匀设置在上延长件8外表面的上对中杆6；下延长件9的外表面沿径向延伸有至少两个均匀设置在下延长件9外表面的下对中杆7。背管3的外周面和腔体内壁之间的距离分别与上对中杆6和下对中杆7的长度相同。在装配旋转靶材的生产装置时，将下延长件9放置在腔体内，由于背管3的外周面和腔体内壁之间的距离于下对中杆7的长度相同，因此能保证下延长件9的轴线和腔体的中心轴线重合。再在下延长件9的上表面安装背管3，在背管3的上表面安装上延长件8，进一步确保背管3的轴线位于腔体的中心处，实现对中的效果。
50.本发明的工作过程为：
51.1、通过喷涂及涂布处理背管3，提高靶材与背管3的结合率；
52.2、提前预热外模1，预热温度为300℃左右；
53.3、在背管3的两端安装上延长件8和下延长件9；再将背管3竖直安装在外模1内。其中背管3与两个延长件之间用高温胶布贴好；
54.4、低熔点金属及其合金按一定配比构成金属液体，通过浇注装置5加热熔化到一定浇注温度，并进行三次捞渣操作；
55.5、通过ar气置换环状腔室内空气；
56.6、将金属液体从高处浇注到外模1与背管3所形成的环状腔体腔室内，通过控制背管3内的冷却水流量大小及排水时间，调整靶材冷却时机及冷却速率；
57.7、通过控制旋转装置4旋转速度，控制离心力，促进靶材气孔的外排，金属液体从底部往上，从内部往外顺序凝固；
58.8、固体金属冷却，脱去外模1，机加工切去固体金属的头尾两端(对应上延长件8和下延长件9的部分)，按标准加工固体金属的中部，得到所要的旋转靶材。
59.具体地，在本实施例中，需制备锡旋转靶。先对背管3进行喷涂及涂布处理。将上延长件8和下延长件9装夹固定在背管3的两端。将背管3竖直安装在外模1的腔体内，其中外模1和下延长件9均位于旋转装置4的上表面。在浇注装置5内装入一定量的纯锡，并利用浇注装置5将纯锡加热至270℃～300℃。待纯锡熔化后，使用不锈钢漏勺，对锡液进行三次捞渣操作，直至锡液面呈镜面光亮。预热外模1，通过加热装置将外模1整体预热至200℃。预热外模1完毕后，通过ar气置换环状腔室内的空气，氩气流量为10l/min，置换时间为0.5h。使用加热器加热外模1顶部，保持锡液浇注时，锡呈液态。熔融的金属液体从顶部注入环状腔室中。开启旋转装置4，旋转速度为6rpm～15rpm。往背管3内注入冷却水，冷却水流量为1000l/h～2000l/h，冷却水从背管3底部往上冷却，保持锡液面与冷却水的液面具有100mm的液位差，使得金属液体从底部往上，从内部往外顺序凝固。等待金属液体冷却成固体金属后，脱去外模1，切去固体金属头尾两端，对固体金属中部进行表面机加工，获得锡旋转靶。
60.实施例二
61.本实施例与实施例一的区别在于：本实施例需制备铟旋转靶。先对背管3进行喷涂及涂布处理。将上延长件8和下延长件9装夹固定在背管3的两端。将背管3竖直安装在外模1的腔体内，其中外模1和下延长件9均位于旋转装置4的上表面。在浇注装置5内装入一定量的纯铟，并利用浇注装置5将纯铟加热至180℃～220℃。待纯铟熔化后，使用不锈钢漏勺，对铟液进行三次捞渣操作，直至铟液面呈镜面光亮。预热外模1，通过加热装置将外模1整体预热至180℃～220℃。预热外模1完毕后，通过ar气置换环状腔室内的空气，氩气流量为10l/min，置换时间为0.5h。使用加热器加热外模1顶部，保持铟液浇注时，铟呈液态。熔融的金属液体从顶部注入环状腔室中。开启旋转装置4，旋转速度为6rpm～15rpm。往背管3内注入冷却水，冷却水流量为1000l/h～2000l/h，冷却水从背管3底部往上冷却，保持铟液面与冷却水的液面具有100mm的液位差，使得金属液体从底部往上，从内部往外顺序凝固。等待金属液体冷却成固体金属后，脱去外模1，切去固体金属头尾两端，对固体金属中部进行表面机加工，获得铟旋转靶。
62.除上述区别外，本实施例的其它结构与实施例一中的一致，相应的效果及原理也
一致，此处不再赘述。
63.综上，本发明实施例提供一种旋转靶材的生产方法及装置，其在背管上增加上延长件和下延长件，以控制靶材长度。在脱去外模后需要切去固体金属的两端，控制工艺，使得靶材的缺陷集中在与下延长件对应的金属部分，提高旋转靶材的生产质量。本发明控制所述金属液体的冷却速率，控制靶材晶粒大小，进一步提高靶材质量。
64.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。