难熔金属罐

                      发明领域

本发明涉及由难熔金属或难熔金属合金制成的板、罐和包含或基 于这种罐的产品。

                        背景

历史上，通过反复试验开发用于利用深拉制造金属罐的工具。通 常，这需要若干次反复和试验。对于贵重材料如难熔金属，例如钽， 这种试验中消耗的材料成本可以高得惊人。而且，普通方法产生具有 差的晶粒结构的罐。常规制备的金属罐由标准级锭得到的板制成。这 些板以它们粗糙和不均匀的晶粒以及不均匀的结晶学织构而出名，尤 其是钽和铌。不幸地是，这些板不适用于作为溅射靶中的部件。

出于上述原因，希望开发更好的制造罐的方法，其中这种罐具有 适合于用作溅射靶的性质，并且在开发和生产两方面都更节约成本。

                      附图描述

参照下面的描述和附加的权利要求，将能更好地理解本发明的这 些和其它特征、方面和优点，其中：

图1显示了图示可在成形的罐中导致有害缺陷如折痕的板工件中 瑕疵类型和大小的图，和

图2-9显示了预测的事件顺序；和

图10为显示如果未按照本发明设计模具时成形的罐侧壁所发生的 计算机产生的图像：侧壁未被“卡住”，它的内径因此不能被精确控 制。

                      发明概述

本发明涉及一种制造罐的方法，包括：(a)将包括难熔金属成分 的锭切削成第一工件；(b)对第一工件进行镦锻，由此形成第二工件； (c)在真空或惰性气体中使第二工件经过第一退火步骤到足够高至使 第二工件至少部分再结晶的第一温度，由此形成退火的第二工件；(d) 通过减小第二工件的直径向后锻造(forging back)退火的第二工件， 由此形成第三工件；(e)对第三工件进行镦锻，由此形成第四工件； (f)通过减小第四工件的直径向后锻造第四工件，由此形成第五工件； (g)使第五工件经过第二退火步骤到足够高至使第五工件至少部分再 结晶的温度；(h)对第五工件进行镦锻，由此形成第六工件；(i) 对第六工件进行第三退火步骤，由此形成退火的第六工件；(j)通过 使退火的第六工件经过多个轧制道次将退火的第六工件轧制成板；其 中退火的第六工件在至少一个道次后发生厚度减小，并在至少一个道 次之间车削退火的第六工件，由此形成板；和(k)将板深拉成罐，由 此形成罐；其中第四退火步骤在(1)步骤(j)后步骤(k)前或(2) 步骤(k)后进行，从而利用计算机执行的有限元模型评价方法预先确 定适合于加工成罐的至少一个工件或板的尺寸，因而步骤(b)-(j) 中的至少一个工件或步骤(k)中的板具有基本类似于利用计算机执行 的有限元模型评价方法所确定尺寸的尺寸。

在一种实施方案中，本发明涉及罐。

在另一种实施方案中，本发明涉及板。

在另一种实施方案中，本发明涉及一种溅射靶，包括(a)具有难 熔金属成分的罐；和(b)附着到罐上的环，其中罐按照上述方法制造。

在另一种实施方案中，本发明涉及一种开发用于以有效和成本节 约的方式制造罐的金属成形工艺的方法。

                        描述

除了在操作例中或其它指明的地方，在说明书和权利要求书中使 用的所有涉及成分数量、反应条件等的数字或表达式在所有情况下都 应被理解为用术语“约”修饰。本专利申请中公开了各种数值范围。 由于这些范围是连续的，因此它们包括在最小和最大值之间的每一个 值。除非另外专门指明，本申请中指定的各种数值范围都是近似值。

本发明涉及一种制造罐的方法，包括：(a)将包括难熔金属成分 的锭切削成第一工件；(b)对第一工件进行镦锻，由此形成第二工件； (c)在真空或惰性气体中使第二工件经过第一退火步骤到足够高至使 第二工件至少部分再结晶的第一温度，由此形成退火的第二工件；(d) 通过减小第二工件的直径向后锻造退火的第二工件，由此形成第三工 件；(e)对第三工件进行镦锻，由此形成第四工件；(f)通过减小 第四工件的直径向后锻造第四工件，由此形成第五工件；(g)使第五 工件经过第二退火步骤到足够高至使第五工件至少部分再结晶的温 度；(h)对第五工件进行镦锻，由此形成第六工件；(i)对第六工 件进行第三退火步骤，由此形成退火的第六工件；(j)通过使退火的 第六工件经过多个轧制道次将退火的第六工件轧制成板；其中退火的 第六工件在至少一个道次后发生厚度减小，并在至少一个道次间车削 退火的第六工件，由此形成板；和(k)将板深拉成罐，由此形成罐； 其中第四退火步骤在(1)步骤(j)后步骤(k)前或(2)步骤(k) 后进行，从而利用计算机执行的有限元模型评价方法预先确定适合于 加工成罐的至少一个工件或板的尺寸，因而步骤(b)-(j)中的至少 一个工件或步骤(k)中的板具有基本类似于利用计算机执行的有限元 模型评价方法所确定尺寸的尺寸。

该方法包括通过任何合适的方法将包括难熔金属成分的锭切削成 第一工件。例如，可用带锯切削锭。

锭的形状和尺寸可变化，取决于应用。在一种实施方案中，锭为 圆柱状，其具有150mm-400mm的直径。锭由难熔金属或难熔金属合金 制成。难熔金属成分通常选自(a)铌、(b)钽、(c)铌合金、(f) 钽合金、钼、钼合金、钨、钨合金和它们的组合。

锭可具有适合于所需应用的任何纯度。在一种实施方案中，可按 照Clark等“Effect of Processing Variables on Texture and Texture Gradients in Tantalum”(Metallurgical Transactions A，1991年9月)和Kumar等“Corrosion Resistant Properties of Tantalum”，Paper 253 Corrosion 95，NAC International Annual Conference and Corrosion Show(1995)中描述的方法制造锭，本 文全文引入它们作为参考。在另一种实施方案中，可按照美国专利申 请公布2002/0112789或U.S.S.N 09/906208中描述的方法制造锭， 本文全文引入它们作为参考。因而锭的纯度可变化。在一种实施方案 中，锭为不包括填隙杂质的具有至少99.95％、优选至少99.999％纯度 的钽锭。也可得到99.9999％的纯度。纯度不包括填隙杂质。

第一工件的形状和尺寸可变化，取决于应用。在一种实施方案中， 第一工件具有等于锭直径的直径，长度对直径比为约1.5∶1至3∶1。 对第一工件进行镦锻，形成第二工件。第二工件的形状和尺寸可变化， 取决于应用。在一种实施方案中，第二工件的长度为其初始长度的约 50％至其初始长度的约70％。

然后在真空或惰性气体中使第二工件经过第一退火步骤到至少约 1000℃(或至少1200℃或1300℃)的第一温度，从而形成至少部分再 结晶的第二工件。

通过减小第二工件的直径回煅退火的第二工件，由此形成第三工 件。使用平模或异形模在锻压机上完成。

在一种实施方案中，第三工件的直径为第一工件直径的约60％至第 一工件直径的约120％。

第三工件的形状和尺寸可变化，取决于应用。对第三工件进行镦 锻，形成第四工件。

第四工件的形状和尺寸可变化，取决于应用。在一种实施方案中， 第四工件的长度为第二工件长度的约80％至第二工件长度的约120％。

通过减小第四工件的直径回煅第四工件，由此形成第五工件。使 用平模或异形模在锻压机上完成。在一种实施方案中，第五工件的直 径为第一工件直径的约60％至第一工件直径的约120％。

使第五工件经过第二退火步骤到足够高至充分使第五工件再结晶 的温度。在一种实施方案中，在约1000℃-约1300℃、优选约1200℃ 的温度下进行第二退火步骤。对充分再结晶的第五工件进行镦锻，由 此形成第六工件。优选镦锻坯料(第五工件)而不是放下平锻，因为 (a)它保持工件为圆形，如果工件被制成矩形或由它切削圆盘的话， 这样几乎消除了可能出现的损耗，和(b)当坯料被镦锻而不是平锻时， 板中存在的整体厚度织构梯度弱得多。

在一种实施方案中，用压锻机在平模之间进行镦锻步骤。在另一 实施方案中，在第一阶段和第二阶段进行镦锻步骤，用平模进行第一 阶段，使用薄板坯模利用多个冲头进行第二阶段，从而工件在冲头之 间被车削合适的角度如90°。薄板坯模为与它们的加工面有微小凸曲 率的模。

对第六工件进行第三退火步骤，由此形成退火的第六工件。在一 种实施方案中，在约800℃-约1200℃的温度下进行第三退火步骤。优 选地，在约1065℃的温度下进行第三退火步骤，并优选达到完全再结 晶。第六工件的长度对直径比可变化，取决于应用。通常，长度对直 径比至多为约1∶2。在一种实施方案中，第六工件的长度对直径比为 约1∶2至约1∶5。

对退火的第六工件进行轧制，并通过使退火的第六工件经过多个 轧制道次将其制成板；从而退火的第六工件在每个道次后都经历厚度 减少，并且退火的第六工件在例如每两个道次之间被车削，因而由此 形成板。第六工件被轧制成合适厚度的板。每个道次都实现大至足以 使在该道次中带来的应变在整个厚度上基本均匀的厚度减少量。厚度 减少量(测量为该道次前厚度的百分比)对于每个道次基本相同。在 一种实施方案中，每个道次优选达到15％的厚度减少量。在一种实施方 案中，在道次之间工件被车削90°，除了经过一半程序时车削(只一 次)45°。对于最后少数道次，可根据在这些最后少数道次前直接测 量的每个工件的确切尺寸调整车削角度和厚度减少量。优选选择轧制 程序使得(a)板完成时基本为圆形，(b)控制“凸起”效果(其中 板在中部比在边缘厚)以便获得中心厚度对边缘厚度的最佳比例，和 (c)使周边点到点的厚度变化最小。

板的尺寸可变化。在一种实施方案中，板具有从约500mm到约1m 的直径，和约6mm到约15mm的厚度。

优选对板进行深拉，从而由板形成罐。可通过能使技术人员形成 根据本发明的罐的任何方法将板成形为罐。

在一种实施方案中，将板深拉成用于制造溅射靶的中空阴极部件 的形状。这可通过使用冲压机和冲模和合适的锻压机(500吨负荷容量 足够)完成。成形的特定特征包括：冲压机，其外部形状与工件所需 内部形状近似。因此，可使加工离开内表面需要的材料量最小。

模通常包括作为上部的定位板的梯级和中部。中部可为具有合适 角度的圆锥形截面，例如45°圆锥形截面，其用宽大半径连接到上部 和下部，允许工件平稳滑动到下部内，将下部形成所需尺寸，从而在 罐壁的整个高度上，工件能被卡在下部和冲压机之间，没有任何间隙。 优选地，在模下部尺寸形成过程中考虑成形中工件的厚度变化。

优选使用预成形冲压机。设计预成形冲压机，使得如果在成形过 程早期阶段中形成任何扣，就通过挤压它顶住45°圆锥形截面将它再 次变平。这样，可避免有害的折痕的形成。优选在模和工件之间润滑 模。否则模可能会被损坏。任选地，在工件上进行进一步成形操作， 其中顶部(例如顶2″)被镦锻形成较厚的边，边可形成凸缘或可形成 能焊接环形成完整凸缘的部分凸缘。

在(1)步骤(j)后步骤(k)前或(2)步骤(k)后进行第四退 火步骤。在一种实施方案中，在约800℃-约1200℃的温度下进行第四 退火步骤。

有利地，罐在其整个体积内具有均匀的晶粒尺寸(均匀的晶粒结 构)。均匀性使得任何显微镜视域的平均晶粒尺寸在按ASTM E112精 确测量时优选在平均晶粒尺寸的0.5ASTM点内。例如，如果检查从板 边缘切削的样品整个厚度上的4个显微镜视域，可在ASTM 4.9、ASTM 4.7、ASTM 4.7和ASTM 5.2处测量它们。如果检查从相同板中心切削 的样品整个厚度上的4个显微镜视域，可在ASTM 5.2、ASTM 4.3、ASTM 4.9和ASTM 4.8处测量它们。这样所有视域都在ASTM 4.8平均值的 0.5内。在板上测量晶粒尺寸，因为在成形过程中，晶粒变形，使得它 们的尺寸难以在成形后测量。如果在成形操作后进行最后退火，则可 在成形的工件上测量晶粒尺寸。在一种实施方案中，晶粒尺寸为约ASTM 4到约ASTM 6，如ASTM标准E112中定义。

另外，按照本发明制造的罐具有各种织构特征。优选地，织构表 现出(a)没有条带，即相邻之间没有彼此织构明显不同的带，和(b) 混合织构，其中[100]平行于板法线的晶粒和[111]平行于板法线的晶 粒为两个最强的分量。在一种实施方案中，将获得的织构描述为面积 的百分比，如表1：

                 表1   板法线15°内的100   板法线15°内的111   16％-28％   20％-32％

罐的尺寸可变化。在一种实施方案中，罐具有约150mm-约500mm 的高度和约100mm-约500mm的直径。

该方法使工件经历有利的真实应变。在一种实施方案中，在第一 退火步骤前，使第一工件经历约0.25-约0.5的真实应变。在另一实 施方案中，在进行第二退火步骤前，使工件经历大于约1和小于约2 的应变。在另一实施方案中，在进行第二退火步骤前，使步骤(d)、 (e)和(f)中各自的第二、第三和第四工件经历大于约1和小于约2 的真实应变。和在另一实施方案中，在进行第四退火步骤前，使板或 罐经历大于约1的应变。优选地，该段落中所有锻造步骤都被实施。 使工件经历这种真实应变是有利的，因为它能获得所需的晶粒结构和 织构。

制造罐(或板)的方法还包括用计算机执行的有限元模型评价方 法预先确定适合于加工成罐的至少一个工件或板的尺寸。有限元模型 的使用有助于设计模实现上述的工件卡住。有限元模型的使用可帮助 开发能避免制造具有不可接受尺寸的成品块的工艺步骤。有限元模型 的使用还可避免浪费材料和时间。例如，通过使用有限元模型分析成 形过程，可精确估计过程中成形的工件的增厚，于是可重新设计模确 保只使用那些能产生所需罐的工件。另外，有限元模型的使用可帮助 限定在过程中使用的板或工件中瑕疵的类型和大小，这些瑕疵会在成 形的罐中导致有害的缺陷如折痕。可利用市售软件如DEFORM 3D、SFTC、 Columbus、OH实现有限元模型。

参考图，图1显示了图示可在成形的罐中导致有害缺陷如折痕的 板工件中瑕疵类型和大小的图。图2-9显示了预测的事件顺序。更特 别地，深拉一侧突出平面的板，模拟图1(变形为.25″深)。预测的事 件顺序显示在图2-9中。为了计算冲压机的英寸冲程，步数除以50。 有利地，有限元模型的使用帮助设计模实现工件的卡住。图10为显示 如果未按照本发明设计模具时成形的罐侧壁所发生的计算机产生的图 像：侧壁未被“卡住”，它的内径因此不能被精确控制。通过使用有 限元模型分析成形过程，可精确估计成形过程中工件的增厚，于是可 重新设计模来卡住工件和确保其内表面在成形冲程结束全部紧紧挤压 顶住冲头。

在一种实施方案中，当使用有限元模型时，步骤(b)-(j)中的 至少一个工件或步骤(k)中的板具有基本类似于通过计算机执行的有 限元模型评价方法所确定尺寸的尺寸。或者，在另一实施方案中，方 法还包括利用计算机执行的有限元模型评价方法预先确定不适合加工 成罐的至少一个工件或板的缺陷类型和大小的步骤，从而步骤(b)- (j)中的至少一个工件或步骤(k)中的板不会有用计算机执行的有 限元模型评价方法测定的会导致不能接受产品的至少一个缺陷。

按照本发明制造的罐可用于若干应用。在一种应用中，例如，罐 可用于制备溅射靶。通常，通过附着环(或凸缘)到罐沿上制备溅射 靶。这种溅射靶通常包括：(a)具有难熔金属成分的罐；和(b)附 着到罐上的环，罐通过包括以下的方法来制造：(a)将包括难熔金属 成分的锭切削成第一工件；(b)对第一工件进行镦锻，由此形成第二 工件；(c)在真空或惰性气体中使第二工件经过第一退火步骤到至少 约1200℃的第一温度，由此形成退火的第二工件；(d)通过减小第二 工件的直径向后锻造退火的第二工件，由此形成第三工件；(e)对第 三工件进行镦锻，由此形成第四工件；(f)通过减小第四工件的直径 向后锻造第四工件，由此形成第五工件；(g)使第五工件经过第二退 火步骤到足够高至使第五工件充分再结晶的温度；(h)对第五工件进 行镦锻条件，由此形成第六工件；(i)对第六工件进行第三退火步骤， 由此形成退火的第六工件；(j)通过使退火的第六工件经过多个轧制 道次将退火的第六工件轧制成板；其中退火的第六工件在至少一个道 次后发生厚度减小，并在例如每两个道次之间车削退火的第六工件， 由此形成板；和(k)将板深拉成罐，由此形成罐；其中第四退火步骤 在(1)步骤(j)后步骤(k)前或(2)步骤(k)后进行。可通过任 何合适的技术附着环到罐上。在一种实施方案中，环被焊接到罐上。

环可由任何合适的材料制成。在一种实施方案中，环由难熔金属 成分或可被焊接到罐材料上的金属制成，以至于得到无裂纹的接缝。 在一种实施方案中，环由选自(a)铌、(b)钽、(c)铌合金、(f) 钽合金和它们的组合中的难熔金属成分制成。

为了制备溅射靶，然后对含环的罐进行精加工，其一般包括但不 限于完全CNC加工，并对环增加紧固和密封特征。

在另一实施方案中，根据本发明制造的罐可用于制造坩埚。罐的 用途还包括在高温下要求耐液体材料腐蚀的应用、在湿电容器中含酸 的容器、和通过蒸发的物理气相沉积中的金属源。

本发明包括用于制造上述罐的板以及用于制造这种板的方法。因 而，本发明的一种实施方案包括制造板的方法，包括：(a)将包括难 熔金属成分的锭切削成第一工件；(b)对第一工件进行镦锻，由此形 成第二工件；(c)在真空或惰性气体中使第二工件经过第一退火步骤 到至少约1200℃的第一温度，由此形成退火的第二工件；(d)通过减 小第二工件的直径向后锻造退火的第二工件，由此形成第三工件；(e) 对第三工件进行镦锻，由此形成第四工件；(f)通过减小第四工件的 直径向后锻造第四工件，由此形成第五工件；(g)使第五工件经过第 二退火步骤到足够高至使第五工件充分再结晶的温度；(h)对第五工 件进行镦锻条件，由此形成第六工件；(i)对第六工件进行第三退火 步骤，由此形成退火的第六工件；(j)通过使退火的第六工件经过多 个轧制道次将退火的第六工件轧制成板；其中退火的第六工件在至少 一个道次后发生厚度减小，并在例如每两个道次之间车削退火的第六 工件，(i)对板进行第四退火步骤，由此形成板。

用于制造板的如上所述的第四退火步骤可在约950℃-约1200℃的 温度下进行。

另外，本发明包括“平面”溅射靶，其包括根据上面段落中描述 的方法制造的板和附着到板上的背衬板。为了制造溅射靶，于是对板 和背衬板进行精加工，其包括但不限于紧固和密封特征的CNC加工。

本发明提供了以前不能得到的优点。例如，本发明通过使用计算 机模型和不太昂贵的金属减少了开发金属成形工具的成本和时间。本 发明还能使技术人员从具有类似性能的板开始产生具有均匀织构和晶 粒结构的罐。这意味着本发明能使技术人员实现较低的开发成本、较 短的开发周期、具有更均匀晶粒尺寸的罐、具有更均匀结晶学织构的 罐。而且，可以开发具有所需晶粒尺寸和所需织构的罐。

尽管参考特定优选的形式详细描述了本发明，但其它变化也是可 以的。因此，附加权利要求的精神和范围不应限制于其中所含形式的 说明。