專利名稱：以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法
技術領域：
本發明涉及國際分類C23C對金屬材料的鍍膜、用金屬材料對材料的鍍膜、表面擴散法，化學轉化或置換法的金屬材料表面處理、真空蒸發法、濺射法、離子注入法或化學氣相沉積法的一般鍍膜等相關技術，特別是一種以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法。
背景技術：
目前，濺射鍍膜就是在真空中利用荷能粒子轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子沉積在基片上的技術。通常，利用低壓惰性氣體輝光放電來產生入射離子。陰極靶由鍍膜材料制成，基片作為陽極，真空室中通入0.1-10 的氬氣或其它惰性氣體，在陰極(靶)1-3KV 直流負高壓或13. 56MHz的射頻電壓作用下產生輝光放電。電離出的氬離子轟擊靶表面，使得靶原子濺出并沉積在基片上，形成薄膜。目前濺射方法很多，主要有二級濺射、三級或四級濺射、磁控濺射、對靶濺射、射頻濺射、偏壓濺射、非對稱交流射頻濺射、離子束濺射以及反應濺射等。靶材是真空鍍膜的重要原材料，靶材的純度、密度直接影響膜系的成分和綜合性能。比如，鍍膜玻璃用高密度SuSruNi及其合金大尺寸旋轉靶材的熔鑄制備技術。從制備技術、靶材組織和濺射性能方面對兩種旋轉靶材做比較，噴涂制備金屬靶是利用電弧將靶材材料加熱到熔融或半熔融狀態，借助高速氣體將其霧化，形成小的熔滴，并加速噴射到襯管或襯板表面，快速冷卻凝固成金屬涂層靶材的過程。非金屬和陶瓷靶通常是利用等離子加熱粉末材料的方法噴涂制成。而另外，靶材熔鑄技術可分為三種不同的澆鑄形式無襯管或襯板的整體式甩帶澆鑄，例如NiCr、NiV靶、有襯管或襯板的直接澆鑄，例如ZruSi/ ZnA12/ZnSn (Sb) Sn及其合金靶、分段甩帶澆鑄再粘結成靶材如Ag靶等。近二三十年以來，隨著濺射鍍膜技術的快速發展，新的靶材制備技術不斷出現，靶材質量和性能也取得了顯著提高。起初，美國鍍膜設備供應商BOC公司開發出旋轉陰極靶材，靶材的利用率由傳統矩形平面靶的40%提高到80%，大量節約鍍膜成本，從此旋轉靶材在鍍膜行業得到了廣泛應用。然而，要制備長度接近細、直徑Φ (150-190)mm的高純度中空圓柱靶仍然是困難的。針對大面積鍍膜靶材，即主要應用于大面積物理氣相沉積的鍍膜的靶材，以旋轉靶材為代表。大面積鍍膜主要應用于玻璃鍍膜、太陽能光伏等領域，包括低輻射(Low-E)玻璃鍍膜、透明導電玻璃鍍膜(TC0)，大面積鍍膜，尤其是大面積玻璃鍍膜，通常使用的靶材為大尺寸圓柱靶材，而且要求圓柱靶材為整體單根，或分段固定在同一襯管上，以目前技術條件，一般圓柱靶材長度不超過4米，這種圓柱鍍膜靶材現有制造方法包括熱等靜壓法、燒結法、擠壓法和澆鑄法等四種，以上4種工藝各有優缺點，值得指出的是，其都不能很好的滿足大面積鍍膜實際應用的需求，具體地說，其中，采用熱等靜壓法無法生產出較大尺寸靶材，已有記錄顯示，采用該法制的靶材長度未能超過2米，；采用燒結法僅能生產長度500毫米以內的單支靶材；擠壓法和澆鑄這兩種方法也存在諸多限制因素，如無法應用于非金屬靶材制造。由此可以看出，現有技術條件下，只能通過多節連接固定在襯管上以達到長度要求，這種方法無疑大幅增加了成本，因此現有旋轉靶材由于制造方法缺陷，不能滿足大面積鍍膜，尤其是建筑玻璃鍍膜對靶材的要求。另外，已公開的新的相關技術方案較少，如專利申請號200310105218 —種可提高靶材利用率的磁控濺射靶。由水冷靶材和可移動的磁體組成平面靶或圓柱靶結構；平面靶結構中磁體通過滾動軸承與水冷背板安裝在一起，電機通過傳動盤驅動金屬板和固定其上的磁體一起運動；圓柱靶結構中磁體套在不銹鋼管上安裝在圓柱靶內，置于冷卻水中，并通過連接機構與電機相連。本發明采用了移動磁體技術，通過對普通磁控濺射平面靶和圓柱靶磁體的改進，使其磁體在濺射鍍膜過程中能夠移動，從而使靶材表面的刻蝕區域更寬，刻蝕更均勻，靶材的利用率有明顯的提高，同時保留了磁控濺射工藝的優點，而沒有影響其工藝性能；
專利申請號200710022233旋轉圓柱磁控濺射靶，包括極靴、永磁體、中空圓柱靶材和芯軸，永磁體沿圓柱靶材的軸向嵌于極靴內，永磁體為長永久磁條和短永久磁條，極靴上設有用于安裝長永久磁條和短永久磁條的定位槽，長永久磁條和短永久磁條分別安裝在對應的定位槽內；長永久磁條和短永久磁條沿極靴圓周方向交替分布，從而組成多路條形磁體， 長短永久磁條的極性相反，極化方向垂直于濺射陰極中心軸線，極靴兩端的磁環與長短永久磁條構成閉合跑道形磁力線。又如專利申請號200820008493可均勻鍍膜的靶材裝置，包括一安裝于一濺鍍設備中的遮蔽盒，及一安裝于遮蔽盒中的靶材。該遮蔽盒具有一遮蔽板，該遮蔽板上具有一上下延伸的長槽孔，且該長槽孔的上下兩端寬度大于中央部位的寬度。該靶材安裝于該遮蔽盒中，靶材顯露遮蔽盒外的面積也是呈兩端寬度大于中央部位寬度的形狀。又如專利申請號96207094用于真空磁控濺射鍍膜機上的圓柱型平面式磁控濺射靶。它由靶管(1 )、四條條形永磁體(2)、固定磁體的整體式極靴(3)、旋轉機構(4)、冷卻水進出水通道(5 )、靶帽(6 )、屏蔽罩(8 )和設置在四條永磁體兩端的磁場連接裝置(7 ) 構成。

發明內容
本發明的目的是提供一種制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，這種方法主要以以等離子噴涂工藝實施，可通用于金屬及非金屬材質圓柱靶材制造，制得的圓柱靶材長度尺寸上不受限制，能夠直接滿足大面積鍍膜需求，同時實現靶材制造成本的良好控制。本發明的發明目的是通過如下技術措施實現的制備方法包括4個步驟，即噴涂粉體制取、基體準備、結合層噴涂、等離子噴涂成型；具體地包括
1)噴涂粉體制取稱取一種或多品種純度不低于重量百分含量99wt%的靶材材料，充分研磨后過篩，經過噴霧造粒制得噴涂粉體；
2)基體準備準備一襯管，對襯管進行表面處理；
3)結合層噴涂對2)中表面處理后的襯管通過電弧噴涂方式在襯管表面形成一層結
5合層；
4)等離子噴涂成型將1)中制得的噴涂粉體裝入等離子噴涂送粉器，將3)中已形成結合層后的襯管安裝在等離子噴涂傳動設備上，在噴涂過程中，保持襯管壁與熱噴涂槍間相對運動，設定噴涂厚度，制得靶材。本發明的有益效果是將單一金屬和非金屬材料，或多種金屬或非金屬材料通過熱噴涂在襯管上形成具有厚度的單體靶材，工藝適應性強，同時滿足多種材質和長度尺寸靶材要求。具有結構簡單，性能可靠，可顯著提高靶材的利用率，層表面質量好、膜層致密； 廣泛應用在；建筑與汽車玻璃大面積鍍膜、太陽能光伏光熱、表面裝飾與功能鍍膜、平面顯示、光學光通訊光存儲、磁數據存儲和半導體等工業領域。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
，進一步闡述本發明。制備方法包括4個步驟，即噴涂粉體制取、基體準備、結合層噴涂、等離子噴涂成型；具體地包括
1)噴涂粉體制取稱取一種或多品種純度不低于重量百分含量99wt%的靶材材料，充分研磨后過篩，經過噴霧造粒制得噴涂粉體；
2)基體準備準備一襯管，對襯管進行表面處理；
3)結合層噴涂對2)中表面處理后的襯管通過電弧噴涂方式在襯管表面形成一層結合層；
4)等離子噴涂成型將1)中制得的噴涂粉體裝入等離子噴涂送粉器，將3)中已形成結合層后的襯管安裝在等離子噴涂傳動設備上，在噴涂過程中，保持襯管壁與熱噴涂槍間相對運動，設定噴涂厚度，制得靶材。以上工藝中，靶材料為金屬材料、或為金屬氧化物材料，或為金屬氮化物材料，篩目數為200-250目；具體地說，金屬把材料為金屬錫、金屬鋅、金屬鋁、金屬鈦中的一種或多種，金屬氧化物靶材料為氧化鋅、氧化鋁、氧化鎵、氧化鎂、氧化鈮、氧化鈦、氧化錫或氧化銻中的一種或多種，氮化物靶材料為氮化鈦，非金屬靶材料為氧化硅或氮化硅；
襯管通常為不銹鋼管，或含鈦耐高溫金屬管；
襯管進行表面處理包括去除襯管表面污垢和氧化層，對沉管表面進行粗化處理，通過粗化處理后的襯管表面粗糙度(Ra)在1. 5-2. 5 ；粗化處理后的襯管表面具有更大的接觸面積，以增加后續涂層與襯管壁面間的接觸強度；具體地說，襯管進行表面處理為噴砂；
結合層材質為鎳鋁合金，厚度為0. 1-0. 3毫米。結合層也稱打底層，結合層目的在于確保熱噴涂涂層能通過結合層與襯管壁面牢固粘結；
襯管以自身中軸轉動，熱噴涂槍沿襯管長度方向單向或往復移動，保持襯管壁與熱噴涂槍間隔距離；噴涂距離過大，粉粒的溫度和速度均將下降，結合力、氣孔、噴涂效率都會明顯下降；過小，會使基體溫升過高，基體和涂層氧化，影響涂層的結合。在機體溫升允許的情況下，噴距適當小些為好。同時，噴槍的移動速度應保證涂層平坦，不出線噴涂脊背的痕跡。也就是說，每個行程的寬度之間應充分搭疊，在滿足上述要求前提下，噴涂操作時，一般采用較高的噴槍移動速度，這樣可防止產生局部熱點和表面氧化。等離子噴涂包括大氣等離子噴涂，保護氣氛等離子噴涂，真空等離子噴涂和水穩等離子噴涂。等粒子噴涂技術是繼火焰噴涂之后大力發展起來的一種新型多用途的精密噴涂方法，它具有①超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂。②噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結強度高。③由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。等離子噴涂設備主要包括①噴槍實際上是一個非轉移弧等離子發生器，是最關鍵的部件，其上集中了整個系統的電，氣，粉，水等。②電源用以供給噴槍直流電。通常為全波硅整流裝置。③ 送粉器用來貯存噴涂粉末并按工藝要求向噴槍輸送粉末的裝置。④熱交換器主要用以使噴槍獲得有效的冷卻，達到使噴嘴延壽的目的。⑤供氣系統包括工作氣和送粉氣的供給系統。⑥控制框用于對水，電、氣、粉的調節和控制④噴涂距離和噴涂角。
本發明將單一金屬和非金屬材料，或多種金屬或非金屬材料通過熱噴涂在襯管上形成具有厚度的單體靶材，工藝適應性強，同時滿足多種材質和長度尺寸靶材要求。實施例1 制備氧化鈦圓柱靶材；
將純度99. 9wt%的氧化鈦粉末經過5小時機械球磨，再經過250目過篩，最后通過噴霧造粒獲得具有良好流動性的熱噴涂粉體；準備不銹鋼管做襯管，襯管長2244毫米，內徑125 毫米，外徑133毫米，對襯管外壁進行噴砂加工，噴涂區域長2244毫米，去除表面污垢和氧化層后，在襯管表面采用電弧噴涂形成0. 2毫米厚鎳鋁結合層；將襯管固定在等離子噴涂設備上，將氧化鈦噴涂粉體裝入熱噴涂設備送粉器，啟動傳動裝置和熱噴涂設備，襯管轉速 100轉/分鐘，噴槍移動速度為1米/分鐘，噴槍與襯管壁間距200毫米，及時補充粉體直至獲得噴涂厚度6毫米涂層氧化鈦圓柱靶材。圓柱靶材氧化鈦涂層無縫隙、無氣孔，表面經機械加工處理完成。實施例2 硅鋁圓柱靶材
將純度4N即含量> 99. 99%的硅粉和鋁粉，其中硅粉和鋁粉重量混合比9:1，經過充分混合，過200目篩，經過噴霧造粒，具有良好流動性噴涂粉體；選取不銹鋼襯管，對襯管進行噴砂加工，去除表面污垢和氧化層后再通過電弧噴涂的方法在襯管上形成0. 2毫米厚的結合層；襯管內徑125毫米，外徑133毫米，長度3855毫米，噴涂區域長度3812毫米；將襯管固定在噴涂設備上，啟動傳動裝置，襯管轉速100轉/分鐘，噴槍移動速度為0. 8米/分鐘， 噴槍與襯管距離200毫米，將硅鋁噴粉裝入等離子熱噴涂設備的送粉器，啟動熱噴涂設備， 根據粉體消耗狀況及時補充噴粉，至硅鋁涂層厚度達到9毫米，且無裂縫和氣孔，進一步經表面機械加工處理制成硅鋁圓柱靶材。
這些實施例僅用于說明本發明，而不用于限制本發明的范圍。此外，本領域技術人員在閱讀了本發明的內容之后，以等同替代或變劣進行對本發明作各種改動或修改，同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
權利要求
1.以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，其特征是制備方法包括4個步驟，即噴涂粉體制取、基體準備、結合層噴涂、等離子噴涂成型；具體地包括1)噴涂粉體制取稱取一種或多品種純度不低于重量百分含量99wt%的靶材材料，充分研磨后過篩，經過噴霧造粒制得噴涂粉體；2)基體準備準備一襯管，對襯管進行表面處理；3)結合層噴涂對2)中表面處理后的襯管通過電弧噴涂方式在襯管表面形成一層結合層；4)等離子噴涂成型將1)中制得的噴涂粉體裝入等離子噴涂送粉器，將3)中已形成結合層后的襯管安裝在等離子噴涂傳動設備上，在噴涂過程中，保持襯管壁與熱噴涂槍間相對運動，設定噴涂厚度，制得靶材。
2.如權利要求1所述的以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，其特征在于，靶材料為金屬材料、或為金屬氧化物材料，或為金屬氮化物材料，篩目數為200-250目； 具體地說，金屬把材料為金屬錫、金屬鋅、金屬鋁、金屬鈦中的一種或多種，金屬氧化物靶材料為氧化鋅、氧化鋁、氧化鎵、氧化鎂、氧化鈮、氧化鈦、氧化錫或氧化銻中的一種或多種，氮化物靶材料為氮化鈦，非金屬靶材料為氧化硅或氮化硅。
3.如權利要求1所述的以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，其特征在于，襯管通常為不銹鋼管，或含鈦耐高溫金屬管。
4.如權利要求1所述的以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，其特征在于，襯管進行表面處理包括去除襯管表面污垢和氧化層，對沉管表面進行粗化處理，通過粗化處理后的襯管表面粗糙度(Ra)在1. 5-2. 5 ；粗化處理后的襯管表面具有更大的接觸面積，以增加后續涂層與襯管壁面間的接觸強度；具體地說，襯管進行表面處理為噴砂。
5.如權利要求1所述的以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，其特征在于，結合層材質為鎳鋁合金，厚度為0. 1-0. 3毫米，結合層也稱打底層，結合層目的在于確保熱噴涂涂層能通過結合層與襯管壁面牢固粘結。
6.如權利要求1所述的以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，其特征在于，襯管以自身中軸轉動，熱噴涂槍沿襯管長度方向單向或往復移動，保持襯管壁與熱噴涂槍間隔距離；噴涂距離過大，粉粒的溫度和速度均將下降，結合力、氣孔、噴涂效率都會明顯下降；過小，會使基體溫升過高，基體和涂層氧化，影響涂層的結合，在機體溫升允許的情況下，噴距適當小些為好，同時，噴槍的移動速度應保證涂層平坦，不出線噴涂脊背的痕跡。
7.如權利要求1所述的以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，其特征在于，將純度99. 9wt%的氧化鈦粉末經過5小時機械球磨，再經過250目過篩，最后通過噴霧造粒獲得具有良好流動性的熱噴涂粉體；準備不銹鋼管做襯管，襯管長2244毫米，內徑125 毫米，外徑133毫米，對襯管外壁進行噴砂加工，噴涂區域長2244毫米，去除表面污垢和氧化層后，在襯管表面采用電弧噴涂形成0. 2毫米厚鎳鋁結合層；將襯管固定在等離子噴涂設備上，將氧化鈦噴涂粉體裝入熱噴涂設備送粉器，啟動傳動裝置和熱噴涂設備，襯管轉速 100轉/分鐘，噴槍移動速度為1米/分鐘，噴槍與襯管壁間距200毫米，及時補充粉體直至獲得噴涂厚度6毫米涂層氧化鈦圓柱靶材。
8.如權利要求1所述的以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，其特征在于，將純度4N即含量彡99. 99%的硅粉和鋁粉，其中硅粉和鋁粉重量混合比9:1，經過充分混合，過200目篩，經過噴霧造粒，具有良好流動性噴涂粉體；選取不銹鋼襯管，對襯管進行噴砂加工，去除表面污垢和氧化層后再通過電弧噴涂的方法在襯管上形成0. 2毫米厚的結合層；襯管內徑125毫米，外徑133毫米，長度3855毫米，噴涂區域長度3812毫米；將襯管固定在噴涂設備上，啟動傳動裝置，襯管轉速100轉/分鐘，噴槍移動速度為0. 8米/分鐘，噴槍與襯管距離200毫米，將硅鋁噴粉裝入等離子熱噴涂設備的送粉器，啟動熱噴涂設備，根據粉體消耗狀況及時補充噴粉，至硅鋁涂層厚度達到9毫米，且無裂縫和氣孔，進一步經表面機械加工處理制成硅鋁圓柱靶材。
全文摘要
以等離子噴涂制備圓柱形大面積鍍膜靶材及方法，制備方法包括4個步驟，即噴涂粉體制取、基體準備、結合層噴涂、等離子噴涂成型；將單一金屬和非金屬材料，或多種金屬或非金屬材料通過熱噴涂在襯管上形成具有厚度的單體靶材，工藝適應性強，同時滿足多種材質和長度尺寸靶材要求。具有結構簡單，性能可靠，可顯著提高靶材的利用率，層表面質量好、膜層致密；廣泛應用在;建筑與汽車玻璃大面積鍍膜、太陽能光伏光熱、表面裝飾與功能鍍膜、平面顯示、光學光通訊光存儲、磁數據存儲和半導體等工業領域。
文檔編號C23C4/16GK102286717SQ201110256260
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者莊志杰 申請人:基邁克材料科技(蘇州)有限公司