專利名稱：一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶的成型方法。
背景技術(shù)：
能源、環(huán)境已成為全球面臨的重大問(wèn)題，近年來(lái)各國(guó)投入大量資源全力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池，在眾多的太陽(yáng)能電池中，銅銦鎵硒薄膜光伏電池作為第二代光伏電池，其主要優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，而光電轉(zhuǎn)換效率高，且抗輻射能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等。晶硅太陽(yáng)能電池作為第一代太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率高，但生產(chǎn)其需要大量的高純硅材料，而高純硅的生產(chǎn)過(guò)程需要消耗大量的能源，并造成環(huán)境污染。薄膜太陽(yáng)能電池則消耗的材料少得多，有廣闊的發(fā)展前景。銅銦鎵硒CuInxGal_xSe2薄膜太陽(yáng)能電池是薄膜電池中最有發(fā)展?jié)摿Φ碾姵亍Ｋ粌H無(wú)毒，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，而且具有更高的轉(zhuǎn)換效率。制備CIGS太陽(yáng)能薄膜電池的方法 有很多，其中磁控濺射法是目前應(yīng)用最多的方法之一，具有濺射速率高、濺射材料與基片結(jié)合牢固、薄膜成分控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。磁控濺射法是目前制備CIGS薄膜的主要技術(shù)之一，濺射沉積所用的原材料是靶材。不同的靶材得到不同的膜系。高質(zhì)量的薄膜濺射制備取決于靶材的品質(zhì)，其中靶材的純度、致密度、微觀組織結(jié)構(gòu)是重要的質(zhì)量控制點(diǎn)。目前，制備CIGS太陽(yáng)能薄膜電池的靶材制造商主要集中在美國(guó)、德國(guó)及日本。國(guó)內(nèi)制備CIGS薄膜的靶材的主要制造工藝包括粉末冶金和熔融鑄造。( I)粉末冶金工藝制備銅銦鎵硒薄膜所需祀材,是將元素粉末或合金粉末按一定配比混合壓制并燒結(jié)成靶材。粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)是靶材成分均勻，合金成分比例可調(diào)，缺點(diǎn)是密度低、雜質(zhì)及氣體含量高、工藝流程長(zhǎng)。常用的粉末冶金工藝包括冷壓燒結(jié)、熱壓和熱等靜壓等。(2)熔融鑄造是將合金原料按一定成分配比后熔煉，澆注，形成鑄錠。經(jīng)過(guò)冷、熱加工成型到所需坯料，機(jī)加工制成靶材。常用的熔煉方法有感應(yīng)熔煉、電弧熔煉、爐外坩堝熔煉等。熔融法制備的靶材雜質(zhì)含量低，密度高，缺點(diǎn)是對(duì)熔點(diǎn)和密度相差較大的兩種或兩種以上金屬，普通熔煉法難以獲得成分均勻的合金靶材，且制備銅銦鎵硒所需的部分成分的合金難以進(jìn)行后續(xù)的冷、熱加工成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材及其真空熔鑄成型方法，該靶材細(xì)化了晶粒，提高材料的致密性，并克服了高、低熔點(diǎn)物相的偏析問(wèn)題，同時(shí)，底澆注特點(diǎn)改善了銅銦/銅銦鎵合金鑄件的縮孔氣孔等缺陷。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶的成型方法流程如下原料銅塊、銦塊配料裝爐——熔煉，熔煉后期通電烘?！珶挕珶捄笃冢禍亟Y(jié)膜，加入鎵，電磁攪拌——底澆注——通水激冷成型——至室溫脫?！獧C(jī)加工清洗真空封裝。具體過(guò)程包括以下步驟
1)將銅塊、銦塊置于坩堝中，將鎵置于合金加料倉(cāng)；
2)裝料完成后，關(guān)閉爐門，開(kāi)啟真空泵機(jī)組，當(dāng)爐內(nèi)真空度小于IOPa時(shí)，開(kāi)始加熱，進(jìn)入熔煉期，熔煉期真空度在IPa以下，熔煉溫度為800°C 1150°C，待料熔化至約占全部料的2/3時(shí)，開(kāi)始通電烘模，烘模溫度為20(T400°C，烘模約半小時(shí)左右。3)熔煉期完成后，進(jìn)入精煉期，精煉溫度為850°C 1200°C，精煉時(shí)間為10 20min，精煉IOlOmin后，降溫至720 V 1050 °C、結(jié)膜，加入原料鎵，進(jìn)行電磁攪拌3 5min ；
4)攪拌完成后進(jìn)行澆注，澆注溫度為820°C 1200°C，采用底澆注，澆注于管狀模具中；
5)澆注完成后進(jìn)行冷卻，冷卻至室溫后出爐，拆卸模具，得到銅鎵/銅銦鎵合金管狀坯
料；
6)根據(jù)產(chǎn)品形狀及尺寸要求，對(duì)成型后的管坯機(jī)加工，得到最終尺寸的管狀靶材，對(duì)管狀靶材進(jìn)行超聲波清洗，待干燥后真空封裝，至此，得到能用于光伏材料的銅鎵/銅銦鎵合金管狀陰極靶成品。所述步驟I)中銅塊和銦塊、鎵的純度均在99. 99%以上。所述步驟I)中配料比例為按重量百分比銅銦、鎵=50% 90% :10% 50%
所述步驟I)中先在坩堝底部放置銅塊，然后再坩堝中上部放置銦塊，裝料緊密，防止“搭橋”。所述步驟2)中熔煉期真空度為0. OlPaI Pa。所述成型方法采用的澆注系統(tǒng)包括真空澆注腔室，在真空澆注腔室中設(shè)有底澆注管，在底澆注管的內(nèi)側(cè)設(shè)有冷卻水夾層，在底澆注管的外側(cè)設(shè)有烘模用發(fā)熱體，在冷卻水夾層的底部和上部分別設(shè)有進(jìn)水口和出水口。所述冷卻水的流量為lL/s飛L/s，采用直接通水或其它冷卻劑激冷，鑄管壁強(qiáng)制冷卻，通水急速冷卻至合金溶液結(jié)晶后，打開(kāi)爐蓋，同時(shí)繼續(xù)通水，冷卻至室溫。有益效果本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)工藝參數(shù)易于控制，可操作性強(qiáng)；
(2)銅鎵/銅銦鎵合金靶材料純度高，雜質(zhì)和氣體含量少，密度高，產(chǎn)品性能優(yōu)異，能很好地滿足真空濺射鍍膜的需要。(3)由于采用了直接通水或其它冷卻劑激冷的方式，使結(jié)晶速度加快，解決了凝固過(guò)程中銅、銦、鎵高、低熔點(diǎn)物相的偏析問(wèn)題，且快冷細(xì)化了晶粒，得到了成分均勻、晶粒細(xì)小的合金材料。(4)底澆注方式同時(shí)改善了氣孔、縮孔等鑄造缺陷；
(5)管狀成型模具，使得制備管狀靶機(jī)加工過(guò)程簡(jiǎn)單，減少了機(jī)加工余量，提高了金屬原料的收得率，降低了成本。綜上所述，本發(fā)明工藝參數(shù)易于控制，產(chǎn)品成材率高，原料利用率高，最重要的是能得到純度高，氣體含量少，成分均勻，晶粒細(xì)小，致密度高的高質(zhì)量銅鎵/銅銦鎵合金管狀陰極靶材，在制備銅銦鎵硒太陽(yáng)能薄膜電池方面有實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中7為模具底座，8為合金溶液。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施方式一將純度均為99. 99%的銅、銦、鎵按質(zhì)量百分比50 43 7配料，銅置于坩堝底部，銦置于中上部，鎵置于合金加料倉(cāng)，熔煉溫度為800°C，熔煉期真空度保持在IPa，精煉期真空度在0. 5Pa，精煉溫度為850°C，精煉時(shí)間為15分鐘后，降溫至720°C，結(jié)膜，加入鎵，電磁攪拌3分鐘。熔煉后期，同時(shí)通電烘模，烘模溫度約250°C。澆注，澆注溫度為 820°C，之后通冷卻水，冷卻水流量為3L/s，冷卻水壓力為0. 3MPa，通水急速冷卻結(jié)晶后，打開(kāi)爐蓋，同時(shí)繼續(xù)通水，直至冷卻至室溫，出爐，拆卸模具，得到合金管狀坯料。機(jī)加工得到所需規(guī)格，之后超聲波清洗2次，待干燥后，真空封裝，得到銅銦鎵合金管狀陰極靶。實(shí)施方式二 將純度為99. 99%的銅、銦、鎵質(zhì)量百分比60 30 10配料，銅置于坩堝底部，銦置于中上部，鎵置于合金加料倉(cāng)。熔煉溫度為820°C，熔煉期真空度保持在IPa以下，精煉期真空度在0. 5Pa，精煉溫度為870°C，精煉時(shí)間為20分鐘后，降溫至740 V，結(jié)膜，加入鎵，電磁攪拌5分鐘。熔煉后期，同時(shí)通電烘模，烘模溫度約300°C。澆注，澆注溫度為830°C，之后通冷卻水，冷卻水流量為5L/s，冷卻水壓力為0. 5MPa，通水急速冷卻結(jié)晶后，打開(kāi)爐蓋，同時(shí)繼續(xù)通水，直至冷卻至室溫，出爐，拆卸模具，得到合金管狀坯料。機(jī)加工至所需規(guī)格，之后超聲波清洗2次，待干燥后，真空封裝，得到銅銦鎵合金管狀陰極靶。實(shí)施方式三將純度為99. 99%的銅和鎵按質(zhì)量百分比90 :10，銅置于坩堝內(nèi)，鎵置于合金加料倉(cāng)。熔煉溫度為1150°C，熔煉期真空度保持在IPa以下，精煉期真空度在0. 5Pa，精煉溫度為1200°C，精煉時(shí)間為10分鐘后，降溫至1050°C，結(jié)膜，加入鎵，電磁攪拌4分鐘。熔煉后期，同時(shí)通電烘模，烘模溫度約400°C。澆注，澆注溫度為1200°C，之后通冷卻水，冷卻水流量為5L/s，冷卻水壓力為0. 5MPa，通水急速冷卻結(jié)晶后，打開(kāi)爐蓋，同時(shí)繼續(xù)通水，直至冷卻至室溫，出爐，拆卸模具，得到合金管狀坯料。機(jī)加工至所需規(guī)格，之后超聲波清洗2次，待干燥后，真空封裝，得到銅鎵合金管狀陰極靶。實(shí)施方式四將純度為99. 99%的銅和鎵按質(zhì)量百分比70 :30，銅置于坩堝內(nèi)，鎵置于合金加料倉(cāng)，熔煉溫度為1150°C，熔煉期真空度保持在IPa以下，精煉期真空度在0. 5Pa，精煉溫度為1200°C，精煉時(shí)間為15分鐘后，降溫至980°C，結(jié)膜，加入鎵，電磁攪拌3分鐘。熔煉后期，同時(shí)通電烘模，烘模溫度約300°C。澆注，澆注溫度為1050°C。之后通冷卻水，冷卻水流量為4L/s，冷卻水壓力為0. 4MPa，通水急速冷卻結(jié)晶后，打開(kāi)爐蓋，同時(shí)繼續(xù)通水，直至冷卻至室溫，出爐，拆卸模具，得到合金管狀坯料。機(jī)加工至所需規(guī)格，之后超聲波清洗2次，待干燥后，真空封裝，得到銅鎵合金管狀陰極靶。
權(quán)利要求
1.一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法，其特征在于包括以下步驟 1)將銅塊、銦塊置于坩堝中，將鎵置于合金加料倉(cāng)； 2)裝料完成后，關(guān)閉爐門，開(kāi)啟真空泵機(jī)組，當(dāng)爐內(nèi)真空度小于IOPa時(shí)，開(kāi)始加熱，進(jìn)入熔煉期，熔煉期真空度在IPa以下，熔煉溫度為800°C 1150°C，待料熔化至約占全部料的2/3時(shí)，開(kāi)始通電烘模，烘模溫度為20(T400°C，烘模約半小時(shí)左右。
2.3)熔煉期完成后，進(jìn)入精煉期，精煉溫度為850°C 1200°C，精煉時(shí)間為10 20min，精煉IOlOmin后，降溫至720V 1050°C、結(jié)膜，加入原料鎵，進(jìn)行電磁攪拌3 5min ； 4)攪拌完成后進(jìn)行澆注，澆注溫度為820°C 1200°C，采用底澆注，澆注于管狀模具中； 5)澆注完成后進(jìn)行冷卻，冷卻至室溫后出爐，拆卸模具，得到銅鎵/銅銦鎵合金管狀坯料； 6)根據(jù)產(chǎn)品形狀及尺寸要求，對(duì)成型后的管坯機(jī)加工，得到最終尺寸的管狀靶材，對(duì)管狀靶材進(jìn)行超聲波清洗，待干燥后真空封裝，至此，得到能用于光伏材料的銅鎵/銅銦鎵合金管狀陰極靶成品。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法，其特征在于所述步驟I)中銅塊和銦塊、鎵的純度均在99. 99%以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法，其特征在于所述步驟I)中配料比例為按重量百分比銅銦、鎵=50% 90% :10% 50% 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法，其特征在于所述步驟I)中先在坩堝底部放置銅塊，然后再坩堝中上部放置銦塊，裝料緊密，防止“搭橋”。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法，其特征在于所述步驟2)中熔煉期真空度為0. OlPaI Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法，其特征在于所述成型方法采用的澆注系統(tǒng)包括真空澆注腔室(I )，在真空澆注腔室(I)中設(shè)有底澆注管(2)，在底澆注管(2)的內(nèi)側(cè)設(shè)有冷卻水夾層(3)，在底澆注管(2)的外側(cè)設(shè)有烘模用發(fā)熱體(4),在冷卻水夾層(3)的底部和上部分別設(shè)有進(jìn)水口(5)和出水口(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法，其特征在于所述冷卻水的流量為lL/s飛L/s，采用直接通水或其它冷卻劑激冷，鑄管壁強(qiáng)制冷卻，通水急速冷卻至合金溶液結(jié)晶后，打開(kāi)爐蓋，同時(shí)繼續(xù)通水，冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法，該方法是將銅Cu、銦In、鎵Ga原料按一定比例，次序裝入真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，在一定的真空條件下，加熱到一定的溫度熔化、精煉，真空感應(yīng)的高真空熔煉及電磁攪拌，之后采用特殊設(shè)計(jì)的底澆注模具系統(tǒng)，急速冷卻凝固成型。本發(fā)明工藝參數(shù)易于控制，產(chǎn)品成材率高，原料利用率高，最重要的是能得到純度高，氣體含量少，成分均勻，晶粒細(xì)小，致密度高的高質(zhì)量銅鎵/銅銦鎵合金管狀陰極靶材，在制備銅銦鎵硒太陽(yáng)能薄膜電池方面有實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B22D27/04GK102703862SQ201210203770
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者王彬, 緱彥春, 馬步洋 申請(qǐng)人:江蘇美特林科特殊合金有限公司