粉末烧结法制备靶材工艺原理与过程解析

粉末烧结法是一种重要的靶材制备工艺,通过对金属或陶瓷粉末进行压缩成型、高温烧结,获得致密的块状或特定形状靶材。下面将围绕粉末烧结法的工作原理、工艺等方面进行概述。

一、粉末烧结的工作原理

烧结是指粉末压块在高温下发生烧结,粉末粒子互相融合, 孔隙消失,密度提高的过程。在烧结初期,主要是粉末颗粒表面的接触点发生颗粒间的结合。当温度继续升高,粉末内部的小孔逐渐消失,原子可以在相邻粒子之间弥散,形成粒间弥散的烧结机制。在烧结中后期,由于表面张力的驱动作用,粒界会发生微弥散,孔洞继续收缩闭合,最终实现片状烧结体的高密化。

二、靶材粉末的选择

靶材粉末直接决定了烧结体的组成和性能。粉末需要具有优异的流动性和压实性,一般要求粒度小、分布窄,减小烧结孔隙;粒子形态圆润有利于提高流动性。常用的制备方法有机械合金化法、溶液化学法等。粉末的纯度也至关重要。此外,优选组成的合金粉可获得致密、细晶粒的烧结体。

三、压粉成型

将靶材粉末制成一个较坚固的压块,是实现高质量烧结的关键步骤。常用的成型方法包括冷压、热压和高能冲击压密等。冷压法采用机械压力压制粉末,压力大小会影响压块的密度和力学强度。热压法在高温状态下压制,可以增加压块密度。等静压烧结技术则利用烧结初期的非平衡烧结获得致密压块。

四、烧结工艺

烧结工艺需要严格控制烧结炉的升温速率、烧结温度及保温时间,一般在0.5-5小时的范围内完成。烧结气氛也影响烧结质量和烧结体性能。烧结炉种类多样,如电阻加热的真空推挤烧结炉,外热源的热风炉等。采用优化的烧结曲线,可以获得致密、细晶粒的靶材。

五、后处理

烧结后可能存在烧结不充分导致的残余孔洞,需要进行热等静压、热轧等方法进行后处理,提高密度。也可以通过热处理调整烧结体的微观组织,优化综合性能。

六、特殊烧结技术

常规烧结周期长。快速烧结利用过饱和粉体提高烧结动力学,大大缩短烧结时间。热等静压烧结技术应用压力促进烧结,获得更致密的靶材。反应烧结法在烧结过程中利用反应生成固溶强化相,改善靶材质量。

七、靶材性能表征

评价烧结靶材的致密度、力学性能是否符合要求十分重要。常用方法有密度测试、硬度测试、抗折强度试验等。同时,观察组织结构和显微形貌也有助于分析性能与工艺的关系。综合表征结果评价靶材质量。

粉末烧结法可获得致密细晶粒的靶材,是一种成熟可靠的制备技术。通过优化各工艺参数,可制备出性能优异的粉末烧结靶材。