RU2276206C2 - Способ легирования металлов в пленках - Google Patents

Способ легирования металлов в пленках Download PDF

Info

Publication number
RU2276206C2
RU2276206C2 RU2004124037/15A RU2004124037A RU2276206C2 RU 2276206 C2 RU2276206 C2 RU 2276206C2 RU 2004124037/15 A RU2004124037/15 A RU 2004124037/15A RU 2004124037 A RU2004124037 A RU 2004124037A RU 2276206 C2 RU2276206 C2 RU 2276206C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloying
metal
alloying element
deposition
formation
Prior art date
Application number
RU2004124037/15A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2004124037A (ru
Inventor
Адил Жианшахович Тулеушев (KZ)
Адил Жианшахович Тулеушев
Валерий Николаевич Володин (KZ)
Валерий Николаевич Володин
Юрий Жианшахович Тулеушев (KZ)
Юрий Жианшахович Тулеушев
Original Assignee
Дочернее государственное предприятие "Институт ядерной физики" Национального ядерного центра Республики Казахстан
Товарищество с ограниченной ответственностью "СИМПЛА"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дочернее государственное предприятие "Институт ядерной физики" Национального ядерного центра Республики Казахстан, Товарищество с ограниченной ответственностью "СИМПЛА" filed Critical Дочернее государственное предприятие "Институт ядерной физики" Национального ядерного центра Республики Казахстан
Publication of RU2004124037A publication Critical patent/RU2004124037A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2276206C2 publication Critical patent/RU2276206C2/ru

Links

Landscapes

  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области получения специальных сплавов в виде покрытий или самонесущих изделий и может быть использовано в металлургии, машиностроении, материаловедении и других отраслях. Способ легирования металла в пленках включает одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждение их субслоями поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы, при этом осаждение каждого субслоя ведут в виде островкового покрытия размером частиц металла и/или легирующего элемента менее критического, при котором частица находится в жидком состоянии при соосаждении. Технический результат заключается в значительном снижении температуры легирования - образования твердого раствора (около 100°С). 1 табл.

Description

Изобретение относится к области получения специальных сплавов в виде покрытий или самонесущих изделий и может быть использовано в металлургии, машиностроении, материаловедении и других отраслях.
Известен способ обработки материалов (авторское свидетельство СССР №1055784, кл. С 30 В 31/20, оп. 23.11.1983. Бюлл. №43), в котором легирование осуществляют нанесением на поверхность диффузанта в виде последовательных слоев различных элементов или их сплавов толщиной 10-1000 нм и последующим облучением импульсным лазерным облучением мощностью 108-1011 Вт·см-2, с образованием легированного слоя. Недостатком способа является необходимость термообработки для получения легированного сплава - твердого раствора.
Известен также способ получения монокристаллических углеродных пленок (предварительный патент Республики Казахстан №4275, кл. С 30 В 30/02, 35/00, оп. 14.03.1997. Бюлл. №1), в котором легирование осуществляют путем распыления катода-мишени из твердого углерода, ускорение ионов углерода и осаждение их на нагретую подложку, и при этом одновременно дополнительно распыляют легирующий материал. В этом способе, как и предыдущем, для легирования материала необходим нагрев подложки.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ повышения критического тока сверхпроводника легированием (патент Российской Федерации №2172043, кл. Н 01 L 39/00, 39/24, оп. 10.08.2001, Бюлл. №22), в котором легирование осуществляют одновременным со сдвигом в пространстве распылением металла-основы сверхпроводника и легирующего элемента, не взаимодействующего с основой сверхпроводника, в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждением их при сохранении нанодисперсного состояния легирующего элемента слоями субатомного размера поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы.
Способ предполагает использование легирующего элемента, не взаимодействующего с металлом сверхпроводника, что не позволяет получить твердые растворы, то есть осуществить легирование как таковое. Использование этого способа для получения твердых растворов при легировании металла возможно только при нагреве покрытия до температуры расплавления или близкой к ней.
Задачей изобретения является разработка способа легирования, позволяющего получать металлические пленки, легированные различными элементами.
Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в снижении температуры легирования - образования твердого раствора.
Технический результат достигается в способе легирования металла в пленках, включающем одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждение их субслоями поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы, в котором осаждение каждого субслоя ведут в виде островкового покрытия размером частиц металла и/или легирующего элемента менее критического, при котором частица находится в жидком состоянии при соосаждении.
Суть изобретения заключается в следующем.
По предлагаемому способу при уменьшении размеров частицы металла и/или легирующего элемента меньше критического размера значительно снижается ее температура плавления, иногда разница по сравнению с компактным металлом достигает сотен градусов. Поэтому соосаждение частиц металла и/или легирующего элемента малых размеров, когда они находятся в жидкой форме, в виде расположенных рядом и соприкасающихся островков, сопровождается слиянием их и образованием раствора. Коалесценция жидких частиц (одна или несколько) приводит к увеличению размера капли более критического размера и перехода частицы в твердое состояние. Многократное повторение процессов приводит к формированию пленки твердого раствора - легированию металла при очень низкой температуре. Способ реализован при получении ниобия, легированного оловом и алюминием, тантала, легированного свинцом и других твердых растворов.
Пример. При легировании ниобия приготовление образцов производили одновременным распылением мишеней из ниобия и олова или алюминия в плазме низкого давления и осаждением распыленных металлов на перемещающиеся относительно потоков плазмы не обогреваемые подложки из поликора (Al2О3). Пленочные покрытия формировали до толщины 600-1200 нм за 1200 поочередных пересечений подложками формируемых магнетронами потоков металлов, что обеспечивало рост покрытий по островковому типу. Температура подложек во время формирования образцов не превышала 100°С. Использованы ниобий, содержащий 99,95 мас.% основного элемента, олово - 99,99 мас.% и алюминий - 99,99 мас.% соответственно. Соотношение концентраций металлов в образцах изменяли скоростью распыления мишеней планарных магнетронных распылителей. В процессе распыления мишеней поддерживали постоянную мощность на каждом из распылительных устройств. Соотношение осажденных компонентов контролировали весовым способом - по количеству распыленного и осажденного металла во время формирования покрытия.
Проявление процесса легирования становится наблюдаемым при появлении твердого раствора металлов вследствие смешения, что возможно лишь при слиянии малых частиц разных металлов, как это имеет место при обычном плавлении.
В таблице приведены результаты формирования пленочных систем по островковому типу с уменьшением расчетной толщины слоев (отнесенной ко всей площади подложки) и, следовательно, величины частиц, образующих островки.
Таблица.
Толщина чередующихся субслоев металлов в пленках и параметры решеток фаз
Номер образца Nb-Sn 21,1 ат. % Sn Номер образца Nb-Al 28,2 ат. % Al
Толщина субслоев, нм Параметр решетки, нм Толщина субслоев, нм Параметр решетки, нм
Nb Sn Nb Sn Nb Al Nb Al
1 27 10 0,3347±0,0009 a=0,5831 6 24 9 0,3331± 0,0006 0,4075± 0,0015
c=0,3182
2 13 5 0,3328±0,0008 a=0,5831 7 12,5 4,6 0,3318± 0,0003 0,4054± 0,0008
c=0,3182
3 4,3 1,7 0,3366±0,0012 a=0,5793 8 4,6 1,6 0,3316± 0,0005 -
c=0,3182
4 2,2 0,85 0,3380±0,0004 - 9 2,2 0,8 0,3303± 0,0005 -
5 1,0 0,4 0,3346±0,0004 10 1,0 0,3 0,3272±0,0007
Твердый раствор является замещением в узлах кристаллической решетки атомов матричного металла атомами легирующего металла. Параметр решетки твердого раствора изменяется линейно (от параметра решетки легируемого металла) в зависимости от количества атомов легирующего элемента. При этом в твердом растворе легирующий элемент рентгенографически не обнаруживается.
В этой связи образцы №№1-3 в системе ниобий-олово и №№6, 7 в системе ниобий-алюминий представлены отдельными рентгенографируемыми фазами, имеющими каждая свою кристаллическую решетку с табличными или несколько искаженными межатомными расстояниями, и границу раздела фаз. То есть система представлена смесью образований из ниобия и олова, ниобия и алюминия.
При образовании твердых растворов совместным осаждением частиц малых размеров возможно некоторое промежуточное состояние, при котором легирующий элемент не выделяется в отдельную фазу (образцы №4, 8, 9), фиксируемую рентгенографически, но нет и твердого раствора, что следует из отсутствия линейной зависимости параметра решетки (образец №4) и присутствия сверхструктурных отражений с параметром 2-2,5 нм на рентгенограммах образцов №8, 9 при параметре решетки, соответствующем чистому ниобию. Алюминий присутствует в последнем случае в кластерной форме, не фиксируемой рентгеновским анализом. Поэтому параметры кристаллической решетки легирующих элементов в образцах 4, 8, 9 не приведены в таблице.
При достижении размеров частиц (в нашем случае они выражены через среднюю толщину чередующихся субслоев) критического размера и менее его образуется твердый раствор с кристаллической решеткой, отличающейся от параметра решетки легируемого металла, но закономерно изменяющегося с изменением концентрации легирующего элемента.
Как видно из таблицы, лишь в образце №5 при достижении расчетной толщины субслоев 1,0 нм у ниобия и 0,4 нм у олова в системе ниобий-олово происходит самопроизвольное образование твердого раствора с параметром решетки 0,3346±0,0004 нм, соответствующим концентрации 21,1 ат.% олова. Аналогично в образце №10, при достижении расчетной толщины субслоев 1,0 нм у ниобия и 0,3 нм у алюминия в системе ниобий-алюминий происходит самопроизвольное образование твердого раствора с параметром решетки 0,3272±0,0007 нм, соответствующим концентрации 28,2 ат.% алюминия, то есть легирование ниобия алюминием при температуре около 100°С. Легирование ниобия оловом и алюминием традиционными способами позволяет получить твердые растворы при очень высоких температурах, причем концентрация легирующих элементов в них при охлаждении олова лишь около 2 ат.% и до 9 ат.% алюминия.
Легирование тантала свинцом, осуществленное аналогичным образом, показало, что при достижении расчетной толщины субслоев тантала 0,8 нм и свинца 0,3 нм также происходит легирование тантала с образованием твердого раствора, что подтверждает присутствие, по меньшей мере, свинца в виде частиц размером меньше некоторого критического, при котором свинец представлен жидкой фазой при температуре менее 120°С.
Таким образом, приведенные примеры реализации способа и результаты свидетельствуют о значительном снижении температуры легирования - образования твердого раствора.

Claims (1)

  1. Способ легирования металла в пленках, включающий одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждение их субслоями поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы, отличающийся тем, что осаждение каждого субслоя ведут в виде островкового покрытия размером частиц металла и/или легирующего элемента менее критического, при котором частица находится в жидком состоянии при соосаждении.
RU2004124037/15A 2003-08-11 2004-08-05 Способ легирования металлов в пленках RU2276206C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KZ2003/1081.1 2003-08-11
KZ20031081 2003-08-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004124037A RU2004124037A (ru) 2006-01-27
RU2276206C2 true RU2276206C2 (ru) 2006-05-10

Family

ID=36047444

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004124037/15A RU2276206C2 (ru) 2003-08-11 2004-08-05 Способ легирования металлов в пленках

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2276206C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2639176C2 (ru) * 2016-04-29 2017-12-20 Владимир Дмитриевич Шкилев Способ легирования металлов и сплавов

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2639176C2 (ru) * 2016-04-29 2017-12-20 Владимир Дмитриевич Шкилев Способ легирования металлов и сплавов

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004124037A (ru) 2006-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Blank et al. Pulsed laser deposition in Twente: from research tool towards industrial deposition
Sit et al. Thin film microstructure control using glancing angle deposition by sputtering
Kennedy et al. Rapid method for determining ternary‐alloy phase diagrams
DE102005004402B4 (de) Hartstoff-Schichtsystem und Verfahren zu dessen Bildung
Yu et al. NiAl bond coats made by a directed vapor deposition approach
DE3140611T1 (de) Deposited films with improved microstructures and methods for making
Pudasaini et al. Initial growth of tin on niobium for vapor diffusion coating of Nb3Sn
Coll et al. (Ti Al) N advanced films prepared by arc process
EP3105362A1 (en) Method of coating a substrate so as to provide a controlled in-plane compositional modulation
Shishkovsky et al. Chemical and physical vapor deposition methods for nanocoatings
Nastulyavichus et al. Novel approach of controllable stoichiometric fabrication of alloyed Au/Ag nanoparticles by nanosecond laser ablation of thin bi-layered films in water
DE3785295T2 (de) Verfahren zur herstellung eines films aus ultrafeinen teilchen.
Shah et al. Evaporation: Processes, bulk microstructures, and mechanical properties
Barber The control of thin film deposition and recent developments in oxide film growth
RU2276206C2 (ru) Способ легирования металлов в пленках
Asgary et al. Evolution of Structural, Morphological, Mechanical and Optical properties of TiAlN coatings by Variation of N and Al amount
DE68925459T2 (de) Verfahren zur Herstellung dünner Schichten metastabiler binärer Verbindungen
Mehta Overview of Coating Deposition Techniques
US3270381A (en) Production of ductile foil
Volodin et al. New NbCd2 phase in niobium–cadmium coating films
Liu et al. Investigation of deposition rate, liquid droplets and surface morphology of zirconium films deposited by pulsed laser ablation
JPH02107757A (ja) アモルファス超格子合金の作製法
Skliarova et al. Niobium-based sputtered thin films for corrosion protection of proton-irradiated liquid water targets for [18F] production
Ustinov et al. Effect of deposition conditions of Fe100− xNix (30< x< 40) condensates on their structure
Volodin et al. Structure of sputter-deposited films of β-tantalum-aluminum alloys

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120806