專利名稱：一種W-Ti合金靶材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種W-Ti合金靶材的制備方法。
背景技術(shù)：
W-Ti合金是制備微電子材料中Cu、Ag布線的擴(kuò)散阻擋層的主導(dǎo)材料之一。當(dāng)前， W-Ti合金靶材主要的制備方法有熱壓法和熱等靜壓法。熱壓法制備出的靶材受熱壓模具 尺寸限制，且存在著溫度分布不均的現(xiàn)象，影響合金組織的均勻性；而熱等靜壓法雖然可以 得到致密度接近100%的靶材，但設(shè)備復(fù)雜，成本較高。因此開發(fā)出成本較低且性能優(yōu)越的 W-Ti合金靶材的制備方法具有現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種W-Ti合金靶材的制備方法，解決了現(xiàn)有方法制備出的 W-Ti合金組織不均勻、致密度低、性能差、制備成本高的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種W-Ti合金靶材的制備方法，該方法包括以下操 作步驟
步驟1，粉末的制備
按照W-Ti合金的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為W :Ti=70 9Γ90 %10 9Γ30 %的比例分別稱取 純度高于99. 9%的W粉和純度高于96. 7%的TiH2粉；再將TiH2粉裝入球磨罐中，添加無水 乙醇作為過程控制劑，將球磨罐內(nèi)的空氣排除，然后密封球磨罐進(jìn)行球磨；選用WC球作為 研磨球，球料比為30:1 40:1，球磨時(shí)間為36 48 h，球磨罐轉(zhuǎn)速為200r/min ； 步驟2，混粉
將球磨好的TiH2粉末與W粉進(jìn)行混合，混粉時(shí)間為4 IOh ； 步驟3，壓坯
將混合好的粉末裝入冷等靜壓模具中，采用冷等靜壓機(jī)壓制坯料，壓力為25CT280 MPa，保壓時(shí)間為3 6 min ； 步驟4，燒結(jié)
將壓坯置于高溫真空燒結(jié)爐中，先對(duì)爐內(nèi)抽真空，保證爐體內(nèi)的真空度小于10_3帕；然 后對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，控制加熱速度為10°C/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到50(T60(TC時(shí)，保溫30min ； 再以10°C/min的加熱速度繼續(xù)升溫，最終燒結(jié)溫度為120(Γ1300 ，保溫8(Tl20min后，隨 爐自然冷卻到室溫； 步驟5，固溶退火
再將燒結(jié)后的合金進(jìn)行固溶退火，退火溫度為90(T110(TC，保溫12 24h，隨后淬火冷
卻；
步驟6，機(jī)加工
最后對(duì)W-Ti合金進(jìn)行機(jī)加工，使之成為W-Ti靶材成品。其中，步驟1中添加的無水乙醇濃度為99. 7%，其質(zhì)量為TiH2粉質(zhì)量的1. 5%。
其中，步驟1中球磨前TiH2粉的粒徑為1(Γ30 μ m ；步驟1和步驟2中W粉的粒徑 為 1 30μ 。其中，步驟1的球磨過程中，球磨罐外壁始終采用循環(huán)水冷卻。其特征還在于，控制W-Ti合金雜質(zhì)C、N和0的含量不高于1000 ppm。
本發(fā)明的有益效果是，提供一種能夠制備出合金組織均勻、單相結(jié)構(gòu)、高密度的W-Ti 合金靶材的制備方法，且本發(fā)明方法制備成本較低、工藝簡(jiǎn)單、容易實(shí)施。


圖1是本發(fā)明制備方法的流程圖； 圖2是本發(fā)明TiH2球磨粉的形貌圖3是本發(fā)明TiH2球磨粉的DSC曲線圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中W-21Ti合金燒結(jié)后的SEM照片； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中W-21Ti合金燒結(jié)后的XRD圖譜；
圖6中，a是本發(fā)明實(shí)施例1中W_21Ti合金燒結(jié)后的線掃描照片；b是a圖中橫線處 W、Ti的濃度分布曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1所示，為本發(fā)明制備W-Ti合金靶材的流程圖，其具體方法為 步驟1，粉末的制備
按照W-Ti合金的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為W :Ti=70 9Γ90 %10 9Γ30 %的比例分別稱取 粒徑為廣30 μ m、純度高于99. 9%的W粉和粒徑為10 30 μ m、純度高于96. 7%的TiH2粉；
再將TiH2粉裝入球磨罐中，為了平衡冷焊和斷裂，添加無水乙醇作為過程控制劑，為了 防止TiH2粉末在球磨過程中被氧化，將球磨罐內(nèi)的空氣排除，然后密封球磨罐進(jìn)行球磨；選 用WC球作為研磨球，球料比為30:1 40:1，球磨時(shí)間為36 48 h，球磨罐轉(zhuǎn)速為200r/ min,添加無水乙醇的質(zhì)量為TiH2粉質(zhì)量的1. 5% ；由圖2可以看出，球磨可以使TiH2粉末明 顯得到細(xì)化，從圖3可以看出細(xì)化后的TiH2粉末分解溫度明顯降低，球磨后的TiH2粉末顆 粒尺寸大量分布在100 500nm的范疇； 步驟2，混粉
將球磨好的TiH2粉末與W粉進(jìn)行混合，混粉時(shí)間為4 10h。步驟3，壓坯
將混合好的粉末裝入冷等靜壓模具中，采用冷等靜壓機(jī)壓制坯料，壓力為25CT280 MPa，保壓時(shí)間為3 6 min ； 步驟4，燒結(jié)
將壓坯置于高溫真空燒結(jié)爐中，先對(duì)爐內(nèi)抽真空，保證爐體內(nèi)的真空度小于10_3帕；然 后對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，控制加熱速度為10°C/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到50(T60(TC時(shí)，保溫30min ； 再以10°C/min的加熱速度繼續(xù)升溫，最終燒結(jié)溫度為120(T130(TC，保溫8(Tl20min后，隨 爐自然冷卻到室溫；合金在燒結(jié)過程中不被附加任何壓力；步驟5，固溶退火
再將燒結(jié)后的合金進(jìn)行固溶退火，退火溫度為90(Γ1100 ，保溫12 24h，隨后淬火冷
卻；
步驟6，機(jī)加工
最后對(duì)W-Ti合金進(jìn)行機(jī)加工，先線切割成規(guī)定尺寸的圓片，再用磨床磨成符合尺寸精 度的W-Ti合金靶材成品。在上述制備方法過程中，控制W-Ti合金雜質(zhì)C、N和0的含量不高于1000 ppm。實(shí)施例1
按照W-Ti合金的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為W :Ti=79% 21%的比例分別稱取粒徑為廣30 μ m、純度高于99. 9%的W粉和粒徑為10 30 μ m、純度高于96. 7%的TiH2粉末。然后將TiH2 粉末裝入滾筒式球磨罐中，添加質(zhì)量為TiH2粉1. 5%的無水乙醇作為過程控制劑，向球磨罐 內(nèi)通氬氣將罐內(nèi)空氣排除，然后停止通氣并密封球磨罐進(jìn)行球磨；選用WC球?yàn)檠心デ?，?料比為40: 1，球磨48 h，球磨罐轉(zhuǎn)速為200r/min ；球磨過程中，球磨罐外壁始終采用循環(huán) 水冷卻。再將球磨好的TiH2粉末與W粉進(jìn)行混合，混粉時(shí)間為4h。將混合好的粉末裝入冷 等靜壓模具中，采用冷等靜壓機(jī)壓制坯料，壓力為280 Mpa，保壓時(shí)間為5min。再將壓坯置 于高溫真空燒結(jié)爐中，先對(duì)爐內(nèi)抽真空，保證爐體內(nèi)的真空度小于10_3帕，然后對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行 加熱，控制加熱速度為10 V /min,當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到500°C時(shí)，保溫30min ；再以10°C /min的 加熱速度繼續(xù)升溫，最終燒結(jié)溫度定為1200°C，保溫IOOmin后，隨爐自然冷卻到室溫，合金 在燒結(jié)過程中不被附加任何壓力。再將燒結(jié)后的合金進(jìn)行固溶退火，退火溫度為1000°C，保 溫15h，隨后淬火冷卻；最后對(duì)W-Ti合金進(jìn)行機(jī)加工，使之成為靶材成品。如圖4所示，可以看出燒結(jié)后試樣的顯微組織比較均勻，沒有明顯的孔隙存在；如 圖5和圖6所示，可以看出燒結(jié)后的試樣已存在部分固溶，但還未形成完全單相固溶體，需 對(duì)其做進(jìn)一步的固溶退火處理。實(shí)施例2
按照W-Ti合金的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為W :Ti=90% 10%的比例分別稱取粒徑為廣30 μ m、純度高于99. 9%的W粉和粒徑為10 30 μ m、純度高于96. 7%的TiH2粉末。然后將TiH2 粉末裝入滾筒式球磨罐中，添加質(zhì)量為TiH2粉1. 5%的無水乙醇作為過程控制劑，向球磨罐 內(nèi)通氬氣將罐內(nèi)空氣排除，然后停止通氣并密封球磨罐進(jìn)行球磨；選用WC球?yàn)檠心デ?，?料比為30: 1，球磨36 h，球磨罐轉(zhuǎn)速為200r/min ；球磨過程中，球磨罐外壁始終采用循環(huán) 水冷卻。再將球磨好的TiH2粉末與W粉進(jìn)行混合，混粉時(shí)間為6h。然后將混合好的粉末裝入 冷等靜壓模具中，采用冷等靜壓機(jī)壓制坯料，壓力為250 MPa，保壓時(shí)間為3 min。再將壓坯 置于高溫真空燒結(jié)爐中，先對(duì)爐內(nèi)抽真空，保證爐體內(nèi)的真空度小于10_3帕；然后對(duì)爐內(nèi)進(jìn) 行加熱，控制加熱速度為10 °C/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到500°C時(shí)，保溫30min ；再以10°C/min 的加熱速度繼續(xù)升溫，最終燒結(jié)溫度定為1200°C，保溫SOmin后，隨爐自然冷卻到室溫，合 金在燒結(jié)過程中不被附加任何壓力。再將燒結(jié)后的合金進(jìn)行固溶退火，退火溫度為900°C， 保溫12h，隨后淬火冷卻；最后對(duì)W-Ti合金進(jìn)行機(jī)加工，使之成為靶材成品。實(shí)施例3
按照W-Ti合金的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為W :Ti=70% 30%的比例分別稱取粒徑為廣30 μ m、純度高于99. 9%的W粉和粒徑為10 30 μ m、純度高于96. 7%的TiH2粉末。然后將TiH2粉末裝入滾筒式球磨罐中，添加質(zhì)量為TiH2粉1. 5%的無水乙醇作為過程控制劑，先對(duì)球磨 罐抽真空再通入氬氣再抽真空以確保罐內(nèi)空氣完全排除，然后停止抽真空和通氬氣并密封 球磨罐進(jìn)行球磨；選用WC球?yàn)檠心デ?，球料比?5: 1，球磨40 h，球磨罐轉(zhuǎn)速為200r/min ； 球磨過程中，球磨罐外壁始終采用循環(huán)水冷卻。再將球磨好的TiH2粉末與W粉進(jìn)行混合， 混粉時(shí)間為10h。將混合好的粉末裝入冷等靜壓模具中，采用冷等靜壓機(jī)壓制坯料，壓力為 260 MPa，保壓時(shí)間為6min。再將壓坯置于高溫真空燒結(jié)爐中，先對(duì)爐內(nèi)抽真空，保證爐體 內(nèi)的真空度小于10_3帕；然后對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，控制加熱速度為10。C /min,當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá) 到600°C時(shí)，保溫30min ；再以10°C /min的加熱速度繼續(xù)升溫，最終燒結(jié)溫度定為1300°C， 保溫120min后，隨爐自然冷卻到室溫，合金在燒結(jié)過程中不被附加任何壓力。再將燒結(jié)后 的合金進(jìn)行固溶退火，退火溫度為1100°C，保溫24h，隨后淬火冷卻；最后對(duì)W-Ti合金進(jìn)行 機(jī)加工，使之成為靶材成品。同樣，在實(shí)施例2與實(shí)施例3中得到的燒結(jié)試樣，組織均勻，不存在明顯的空隙，且 存在部分固溶，只是由于三個(gè)實(shí)施例中的W粉與?。⊥路鄣呐浔炔煌?，故得到的合金組織燒 結(jié)后的形貌圖及XRD分析圖譜略有差別。下表為上述三個(gè)實(shí)施例制備出的WTi合金的致密度
權(quán)利要求
一種W Ti合金靶材的制備方法，其特征在于，該方法包括以下操作步驟步驟1，粉末的制備按照W Ti合金的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為WTi=70 % 90 %10 % 30 %的比例分別稱取純度高于99.9%的W粉和純度高于96.7%的TiH2粉；再將TiH2粉裝入球磨罐中，添加無水乙醇作為過程控制劑，將球磨罐內(nèi)的空氣排除，然后密封球磨罐進(jìn)行球磨；選用WC球作為研磨球，球料比為30:1～40:1，球磨時(shí)間為36～48 h，球磨罐轉(zhuǎn)速為200r/min；步驟2，混粉將球磨好的TiH2粉末與W粉進(jìn)行混合，混粉時(shí)間為4 10h；步驟3，壓坯將混合好的粉末裝入冷等靜壓模具中，采用冷等靜壓機(jī)壓制坯料，壓力為250 280 MPa，保壓時(shí)間為3 6 min；步驟4，燒結(jié) 將壓坯置于高溫真空燒結(jié)爐中，先對(duì)爐內(nèi)抽真空，保證爐體內(nèi)的真空度小于10 3帕；然后對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行加熱，控制加熱速度為10℃/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到500 600℃時(shí)，保溫30min；再以10℃/min的加熱速度繼續(xù)升溫，最終燒結(jié)溫度為1200 1300℃，保溫80 120min后，隨爐自然冷卻到室溫；步驟5，固溶退火 再將燒結(jié)后的合金進(jìn)行固溶退火，退火溫度為900 1100℃，保溫12 24h，隨后淬火冷卻； 步驟6，機(jī)加工最后對(duì)W Ti合金進(jìn)行機(jī)加工，使之成為W Ti靶材成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種W-Ti合金靶材的制備方法，其特征在于步驟1中添加 的無水乙醇濃度為99. 7%，其質(zhì)量為TiH2粉質(zhì)量的1. 5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種W-Ti合金靶材的制備方法，其特征在于步驟1中球磨 前TiH2粉的粒徑為10-30 μ m ；步驟1和步驟2中W粉的粒徑為1_30 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種W-Ti合金靶材的制備方法，其特征在于所述步驟1的 球磨過程中，球磨罐外壁始終采用循環(huán)水冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述制造WTi預(yù)合金粉末的方法，其特征在于所述步驟1中通過 向球磨罐中通入保護(hù)氣體氬氣將罐內(nèi)空氣排除。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述制造WTi預(yù)合金粉末的方法，其特征在于控制W-Ti合金雜質(zhì) C、N和0的含量不高于1000 ppmo
全文摘要
本發(fā)明公開了一種W-Ti合金靶材的制造方法，該方法以純度高于99.9%的W粉和純度高于96.7%的TiH2粉為原料，經(jīng)過對(duì)TiH2粉末的高能球磨，隨后與W粉進(jìn)行混粉；然后在壓力為250~280MPa，保壓時(shí)間為3~6min的條件下進(jìn)行壓坯，再對(duì)壓胚進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，然后將燒結(jié)后的合金進(jìn)行固溶退火，隨后淬火冷卻；最后將W-Ti合金機(jī)加工成靶材成品即可。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，工藝方法上燒結(jié)溫度低，燒結(jié)過程中不附加任何壓力，且所制備的合金靶材合金組織均勻、致密度高、可控尺寸大。
文檔編號(hào)C23C14/14GK101928850SQ20101015914
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者梁淑華, 王慶相, 王獻(xiàn)輝, 鄒軍濤, 陳鑫 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)