本發(fā)明屬于氧化鎂靶材
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材的制備方法。
背景技術(shù)：
：氧化鎂具有高溫?zé)岱€(wěn)定性、高介電性、低介電損耗及多種襯底晶格匹配良好等優(yōu)點(diǎn)，氧化鎂薄膜通常采用磁控濺射方法，靶材的純度、致密度、晶粒尺寸及尺寸分布都會極大地影響濺射薄膜的質(zhì)量與性能，如靶材的致密度影響濺射時(shí)的沉積速率、濺射鍍膜粒子密度和弧光放電，還影響濺射鍍膜的電學(xué)和光學(xué)性能，而且靶材的晶粒越細(xì)小，濺射速率越快，晶粒尺寸分布越集中，厚度分布也越均勻。目前，氧化鎂靶材的制備方法主要有無壓燒結(jié)、注漿成型、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和冷等靜壓成型等，但是這些方法都存在一定的缺陷。無壓燒結(jié)易于產(chǎn)生變形、靶材圍觀結(jié)構(gòu)不均勻、成品率低，注漿成型中使用大量粘結(jié)劑，靶材純度低，而且容易造成靶材變形開裂，熱等靜壓成本較高等。而且氧化鎂靶材在機(jī)械加工過程中，總會引入硬化層，容易造成刀具磨損，并在在金屬表層引入大量位錯(cuò)與應(yīng)力，使表層粗糙度和硬度增加，直接導(dǎo)致靶材濺射速度和初期濺射的薄膜均勻性差。通常為了消除靶材表面硬化層的影響，需要在靶材正式使用前進(jìn)行燒靶，濺射去除表層，不僅對靶材造成材料損耗，而且消耗大量的時(shí)間與精力，提高了使用成本。中國專利CN103030380A公開的一種熱壓燒結(jié)高致密度氧化鎂靶材的制備方法，將高純度納米級氧化鎂粉體置于熱壓燒結(jié)爐中，經(jīng)真空、升溫加壓、保壓脂質(zhì)氧化鎂靶材燒結(jié)尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)值。該方法制備的氧化鎂靶材純度高、致密度高，但是成本較高，工藝較為復(fù)雜。而且目前針對氧化鎂靶材表面硬化層的處理方面的研究也不多見。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材的制備方法，將高純度的氧化鎂粉末作為原料，經(jīng)冷等靜壓成型、真空燒結(jié)、表面精密機(jī)加工、得到氧化鎂靶材，然后利用連續(xù)波激光熱處理法、掃描電子束法或非相干寬帶頻光源法對靶材進(jìn)行表面快速熱處理，得到基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材。本發(fā)明制備方法周期短，生產(chǎn)成本低，制備的氧化鎂靶材晶粒小，致密度高，純度高，制備工程無污染，材料訊號小，綠色環(huán)保，適合于批量生產(chǎn)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材的制備方法，包括以下步驟：(1)以氧化鎂粉末為原料，對原料進(jìn)行行星球磨，球磨轉(zhuǎn)速為150-300r/min，球磨時(shí)間為8-32h，球料比為1.5-3:1，研磨后的粉末進(jìn)行200目篩分；(2)將步驟(1)中篩后粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，壓力為150-350MPa，保壓時(shí)間為5-20min，得到氧化鎂壓坯；(3)將步驟(2)中氧化鎂壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400-1550℃，保溫時(shí)間為2-10h，真空度為0.1-1.0Pa，真空燒結(jié)結(jié)束后，根據(jù)所需靶材尺寸進(jìn)行進(jìn)行表面精密機(jī)加工至靶材表面粗糙度≤0.8μm，得到氧化鎂靶材；(4)將步驟(3)氧化鎂靶材進(jìn)行表面研磨，然后進(jìn)行清洗，最后在真空條件下用連續(xù)波激光熱處理法、掃描電子束法或非相干寬帶頻光源法進(jìn)行表面快速熱處理，得到基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(1)中，氧化鎂粉末的純度不低于99.99％，雜質(zhì)元素總含量為100ppm以下，平均粒徑為100-300nm。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(1)中，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，球級差中球：小球?yàn)?-3:1。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(2)中，氧化鎂壓坯的相對密度為58-62％，相對密度偏差低于2％。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(3)中，真空燒結(jié)的升溫過程為：室溫加熱到500-1000℃，保溫4-10h，以加熱速率不超過5℃/min的速率升溫到1000℃后開始抽真空，在10min內(nèi)的燒結(jié)真空度為0.1-1.0Pa，然后以加熱速率不超過2℃/min的速率從1000℃升溫到燒結(jié)溫度1400-1550℃，保溫2-10h。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(3)中，氧化鎂靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差為3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(4)中，清洗方法為：先用皂液去除零件表面油污，再用體積比為1:1:1的24-26wt％的硫酸、12-14wt％硝酸和12-14％的氫氟酸的混合溶液酸性試劑進(jìn)行化學(xué)清洗，最后用丙酮去除油脂。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(4)中，連續(xù)波激光熱處理法的掃描方式為搭接往復(fù)掃描方式或螺旋掃描方式，激光功率為1-3kW，激光散焦距離為20-50mm，光斑直徑為10-50mm，掃描速度為1-50mm/s，加熱溫度為350-450℃，掃描過程中靶材傾斜角度為10°-30°。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(4)中，掃描電子束法的掃描方式為搭接往復(fù)掃描方式或螺旋掃描方式，電子束斑功率密度為1-3kW/cm2，掃描速度為1-50mm/s，加熱的速度為100-200℃/s，加熱溫度為350-450℃。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(4)中，非相干寬帶頻光源法的掃描方式為整體輻照方式，非相干寬帶頻光源為鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器或紅外設(shè)備，加熱的速度為50-100℃/s，加熱溫度為350-450℃，保溫時(shí)間為1-10min。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：(1)本發(fā)明制備的基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材采用球磨工藝處理的高純度氧化鎂粉末作為原料，球磨處理后的氧化鎂粉末的粒徑分布、分散性變好，提高了顆粒內(nèi)部畸變能，使冷等靜壓成型時(shí)坯材的密度和均勻性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的單向受壓或者雙向受壓成型坯體，之后可在較低的燒結(jié)溫度下經(jīng)真空燒結(jié)得到致密度更高，晶粒尺寸更細(xì)小均勻的靶材，燒結(jié)過程中不添加添加劑和燒結(jié)助劑，消除氣孔中阻礙孔隙消除的氣體壓力，促進(jìn)靶材致密化，而且靶材的表面光潔度好，尺寸大不受限制。(2)本發(fā)明制備的基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材通過連續(xù)波激光熱處理法、掃描電子束法或非相干寬帶頻光源法對靶材進(jìn)行表面快速熱處理，通過快速熱處理的肌膚效應(yīng)，使靶材表面的硬化層發(fā)生再結(jié)晶，消除硬化層中的應(yīng)力和位錯(cuò)，得到與基體基本一致的再結(jié)晶組織，解決氧化鎂靶材的表面硬化層難以消除的技術(shù)問題，且不會影響靶材的內(nèi)部組織和膏板性能。(3)本發(fā)明制備方法簡單，生產(chǎn)周期短，效率高，生產(chǎn)成本低，可批量生產(chǎn)，制備過程無污染，材料損耗小，綠色環(huán)保，制備的氧化鎂靶材純度高，致密度好，尺寸不受限制，靶材的表面和內(nèi)部的組織一致，保持了靶材的性能均一，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。實(shí)施例1：(1)以氧化鎂粉末為原料，對原料進(jìn)行行星球磨，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，球級差中球：小球?yàn)?:1，球磨轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為16h，球料比為2:1，研磨后的粉末進(jìn)行200目篩分，其中氧化鎂粉末的純度不低于99.99％，雜質(zhì)元素總含量為100ppm以下，平均粒徑為100nm。(2)將篩后粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，壓力為200MPa，保壓時(shí)間為8min，得到氧化鎂壓坯，其中氧化鎂壓坯的相對密度為59.7％，相對密度偏差低于2％。(3)將氧化鎂壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，室溫加熱到500℃，保溫4h，以加熱速率5℃/min的速率升溫到1000℃后開始抽真空，在10min內(nèi)的燒結(jié)真空度為0.85Pa，然后以加熱速率2℃/min的速率從1000℃升溫到燒結(jié)溫度1400℃，保溫4h，真空燒結(jié)結(jié)束后，根據(jù)所需靶材尺寸進(jìn)行進(jìn)行表面精密機(jī)加工得到氧化鎂靶材，其中氧化鎂靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差為3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)將氧化鎂靶材進(jìn)行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用體積比為1:1:1的24wt％的硫酸、12wt％硝酸和12％的氫氟酸的混合溶液酸性試劑進(jìn)行化學(xué)清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空條件下用連續(xù)波激光熱處理法進(jìn)行表面快速熱處理，連續(xù)波激光熱處理法的掃描方式為搭接往復(fù)掃描方式，激光功率為2kW，激光散焦距離為50mm，光斑直徑為13mm，掃描速度為40mm/s，加熱溫度為420℃，掃描過程中靶材傾斜角度為15°，防止表面反射的光束燒毀激光頭，得到基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材。實(shí)施例2：(1)以氧化鎂粉末為原料，對原料進(jìn)行行星球磨，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，球級差中球：小球?yàn)?:1，球磨轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為16h，球料比為2:1，研磨后的粉末進(jìn)行200目篩分，其中氧化鎂粉末的純度不低于99.99％，雜質(zhì)元素總含量為100ppm以下，平均粒徑為100nm。(2)將篩后粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，壓力為200MPa，保壓時(shí)間為8min，得到氧化鎂壓坯，其中氧化鎂壓坯的相對密度為59.8％，相對密度偏差低于2％。(3)將氧化鎂壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，室溫加熱到500℃，保溫4h，以加熱速率5℃/min的速率升溫到1000℃后開始抽真空，在10min內(nèi)的燒結(jié)真空度為0.85Pa，然后以加熱速率2℃/min的速率從1000℃升溫到燒結(jié)溫度1450℃，保溫4h，真空燒結(jié)結(jié)束后，根據(jù)所需靶材尺寸進(jìn)行進(jìn)行表面精密機(jī)加工得到氧化鎂靶材，其中氧化鎂靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差為3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)將氧化鎂靶材進(jìn)行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用體積比為1:1:1的26wt％的硫酸、14wt％硝酸和14％的氫氟酸的混合溶液酸性試劑進(jìn)行化學(xué)清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空條件下用掃描電子束法進(jìn)行表面快速熱處理，掃描電子束法的掃描方式為螺旋掃描方式，電子束斑功率密度為2kW/cm2，掃描速度為40mm/s，加熱的速度為100℃/s，加熱溫度為420℃，保溫時(shí)間為10s，得到基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材。實(shí)施例3：(1)以氧化鎂粉末為原料，對原料進(jìn)行行星球磨，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，球級差中球：小球?yàn)?:1，球磨轉(zhuǎn)速為150r/min，球磨時(shí)間為8h，球料比為1.5:1，研磨后的粉末進(jìn)行200目篩分，其中氧化鎂粉末的純度不低于99.99％，雜質(zhì)元素總含量為100ppm以下，平均粒徑為300nm。(2)將篩后粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，壓力為350MPa，保壓時(shí)間為20min，得到氧化鎂壓坯，其中氧化鎂壓坯的相對密度為62％，相對密度偏差低于2％。(3)將氧化鎂壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，室溫加熱到1000℃，保溫4h，以加熱速率不超過5℃/min的速率升溫到1000℃后開始抽真空，在10min內(nèi)的燒結(jié)真空度為1.0Pa，然后以加熱速率不超過2℃/min的速率從1000℃升溫到燒結(jié)溫度1550℃，保溫10h，真空燒結(jié)結(jié)束后，根據(jù)所需靶材尺寸進(jìn)行進(jìn)行表面精密機(jī)加工得到氧化鎂靶材，其中氧化鎂靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差為3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)將氧化鎂靶材進(jìn)行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用體積比為1:1:1的25wt％的硫酸、13wt％硝酸和13％的氫氟酸的混合溶液酸性試劑進(jìn)行化學(xué)清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空條件下用非相干寬帶頻光源法進(jìn)行表面快速熱處理，非相干寬帶頻光源法的掃描方式為整體輻照方式，非相干寬帶頻光源為鹵光燈，加熱的速度為50℃/s，加熱溫度為420℃，保溫時(shí)間為1min，得到基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材。實(shí)施例4：(1)以氧化鎂粉末為原料，對原料進(jìn)行行星球磨，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，球級差中球：小球?yàn)?:1，球磨轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為14h，球料比為2:1，研磨后的粉末進(jìn)行200目篩分，其中氧化鎂粉末的純度不低于99.99％，雜質(zhì)元素總含量為100ppm以下，平均粒徑為150nm。(2)將篩后粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，壓力為250MPa，保壓時(shí)間為10min，得到氧化鎂壓坯，其中氧化鎂壓坯的相對密度為59.5％，相對密度偏差低于2％。(3)將氧化鎂壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，室溫加熱到800℃，保溫6h，以加熱速率不超過5℃/min的速率升溫到1000℃后開始抽真空，在10min內(nèi)的燒結(jié)真空度為0.5Pa，然后以加熱速率不超過2℃/min的速率從1000℃升溫到燒結(jié)溫度1500℃，保溫2h，真空燒結(jié)結(jié)束后，根據(jù)所需靶材尺寸進(jìn)行進(jìn)行表面精密機(jī)加工得到氧化鎂靶材，其中氧化鎂靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差為3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)將氧化鎂靶材進(jìn)行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用體積比為1:1:1的26wt％的硫酸、12wt％硝酸和14％的氫氟酸的混合溶液酸性試劑進(jìn)行化學(xué)清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空條件下用連續(xù)波激光熱處理法進(jìn)行表面快速熱處理，連續(xù)波激光熱處理法的掃描方式為螺旋掃描方式，激光功率為1.5kW，激光散焦距離為30mm，光斑直徑為40mm，掃描速度為40mm/s，加熱溫度為400℃，掃描過程中靶材傾斜角度為20°，得到基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材。實(shí)施例5：(1)以氧化鎂粉末為原料，對原料進(jìn)行行星球磨，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，球級差中球：小球?yàn)?:1，球磨轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時(shí)間為24h，球料比為2.5:1，研磨后的粉末進(jìn)行200目篩分，其中氧化鎂粉末的純度不低于99.99％，雜質(zhì)元素總含量為100ppm以下，平均粒徑為150nm。(2)將篩后粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，壓力為200MPa，保壓時(shí)間為15min，得到氧化鎂壓坯，其中氧化鎂壓坯的相對密度為61％，相對密度偏差低于2％。(3)將氧化鎂壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，室溫加熱到900℃，保溫6h，以加熱速率不超過5℃/min的速率升溫到1000℃后開始抽真空，在10min內(nèi)的燒結(jié)真空度為0.5Pa，然后以加熱速率不超過2℃/min的速率從1000℃升溫到燒結(jié)溫度1550℃，保溫8h，真空燒結(jié)結(jié)束后，根據(jù)所需靶材尺寸進(jìn)行進(jìn)行表面精密機(jī)加工得到氧化鎂靶材，其中氧化鎂靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差為3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)將氧化鎂靶材進(jìn)行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用體積比為1:1:1的26wt％的硫酸、12wt％硝酸和14％的氫氟酸的混合溶液酸性試劑進(jìn)行化學(xué)清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空條件下用掃描電子束法進(jìn)行表面快速熱處理，掃描電子束法的掃描方式為搭接往復(fù)掃描方式，電子束斑功率密度為2.5kW/cm2，掃描速度為30mm/s，加熱的速度為200℃/s，加熱溫度為350℃，得到基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材。實(shí)施例6：(1)以氧化鎂粉末為原料，對原料進(jìn)行行星球磨，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，球級差中球：小球?yàn)?:1，球磨轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨時(shí)間為20h，球料比為2.5:1，研磨后的粉末進(jìn)行200目篩分，其中氧化鎂粉末的純度不低于99.99％，雜質(zhì)元素總含量為100ppm以下，平均粒徑為150nm。(2)將篩后粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，壓力為200MPa，保壓時(shí)間為10min，得到氧化鎂壓坯，其中氧化鎂壓坯的相對密度為59.6％，相對密度偏差低于2％。(3)將氧化鎂壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，室溫加熱到600℃，保溫5h，以加熱速率不超過5℃/min的速率升溫到1000℃后開始抽真空，在10min內(nèi)的燒結(jié)真空度為0.3Pa，然后以加熱速率不超過2℃/min的速率從1000℃升溫到燒結(jié)溫度1500℃，保溫10h，真空燒結(jié)結(jié)束后，根據(jù)所需靶材尺寸進(jìn)行進(jìn)行表面精密機(jī)加工得到氧化鎂靶材，其中氧化鎂靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差為3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)將氧化鎂靶材進(jìn)行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用體積比為1:1:1的26wt％的硫酸、13wt％硝酸和12％的氫氟酸的混合溶液酸性試劑進(jìn)行化學(xué)清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空條件下用非相干寬帶頻光源法進(jìn)行表面快速熱處理，非相干寬帶頻光源法的掃描方式為整體輻照方式，非相干寬帶頻光源為石墨加熱器，加熱的速度為80℃/s，加熱溫度為400℃，保溫時(shí)間為8min，得到基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材。對比例：(1)以氧化鎂粉末為原料，進(jìn)行冷單向壓制成型，壓力為200MPa，保壓時(shí)間為8min，得到氧化鎂壓坯。(2)將氧化鎂壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，在空氣氛圍下，室溫加熱到500℃，保溫4h，根據(jù)所需靶材尺寸進(jìn)行進(jìn)行表面精密機(jī)加工得到高純致密氧化鎂靶材。測試方法：按照“十字形”方法測定實(shí)施例1-6以及對比例制備的氧化鎂靶材的相對密度，經(jīng)檢測，實(shí)施例1-6以及對比例制備的氧化鎂靶材的純度、致密度、平均晶粒尺寸、尺寸偏差和Ra的結(jié)果如下所示：實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3實(shí)施例4實(shí)施例5實(shí)施例6對比例純度(％)99.9999.9999.9999.9999.9999.9999.99致密度(％)98.3699.2399.1298.4699.0399.2096.78平均晶粒尺寸(μm)3.915.294.325.063.984.5917.75尺寸偏差(μm)1.212.381.892.032.131.675.12Ra(μm)0.2540.2970.2860.2670.2710.2810.523由上表可見，本發(fā)明制備的基于表面快速熱處理高純致密氧化鎂靶材的純度和致密度高，晶粒尺寸小，表面平整度好，而且表面和內(nèi)部和組織結(jié)構(gòu)一致，可降低表面的厚度層。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。當(dāng)前第1頁1 2 3