СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C23C14/06 C22C21/00 C23C14/35 C23C14/58 

Описание патента на изобретение RU2329333C1

Изобретение относится к способам получения квазикристаллических материалов, в частности пленок состава Al-Pd-Re, Al-Fe-Cu и др., которые могут использоваться благодаря своим уникальным свойствам для повышения износостойкости инструмента, снижения трения в подшипниках, применяться в качестве защитных покрытий в различных отраслях авиапромышленнности, в реакторостороении и др.

Известные к настоящему времени квазикристаллы образованы, как правило, металлическими компонентами, но обладают рядом свойств, весьма необычных для металлических сплавов. К их числу относятся чрезвычайно высокое удельное электросопротивление, значительный отрицательный температурный коэффициент сопротивления, возрастание удельного сопротивления при увеличении степени структурного совершенства образцов при очень сильной чувствительности к составу (Mayou D., Berger С., et al. // Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. №25. P.3915), низкая теплопроводность и низкий электронный вклад в удельную теплоемкость. При этом квазикристаллы обладают твердостью, превышающей твердость стали, а по своим антифрикционным свойствам сравнимы с фторопластами. Наиболее перспективными для применения являются квазикристаллические пленки, массивные образцы обладают высокой хрупкостью, что ограничивает возможность их применения.

Известны различные способы получения квазикристаллических пленок Al-Cu-Fe. Например, методом послойного магнетронного распыления на переменном токе получали пленки толщиной 300 нм (Klein Т., Symko O.G. // Appl. Phys. Lett. 1994. V.64. №4. P.431), методом электроннолучевого испарения из одного сплавного катода пленки 400-900 нм (Yoshioka A., Edagawa К., Kimura К., Takeuchi Sh. //Jpn. J. Appl. Phys. 1995. V.34. №3. P.1606). Для получения квазикристаллической фазы в пленках, приготовленных этими методами, необходим последующий отжиг. Без последующего отжига квазикристаллические пленки получаются лишь при распылении на нагретую подложку (Eisenhammer Т., Trampert A. // Phys. Rev. Lett. 1997. V.78. №2. Р.262).

Квазикристаллические пленки могут получаться при отжиге аморфных пленок, при этом напыление ведется при температуре жидкого азота (Chiein C.L., Lu M. // Phys. Rev. В. 1992. V.45. №22. Р.12793).

Пленки толщиной 50 мкм были получены при распылении с помощью СО2 лазера с последующим лазерным отжигом (Audebert F., Colaco R., Villar R., et al. // Scripta Mater. 1999. V.40. №5. P.551).

Свойства квазикристаллов зависят от точности их состава, поэтому все эти способы обладают основным недостатком - невозможностью выдержать соотношение элементов, что приводит к несовершенству структуры квазикристалла и снижению заявленных свойств - теплопроводности, электропроводности и пр. Например, состав квазикристаллических пленок на основе алюминия должен быть выдержан при следующих соотношениях элементов: Al65,5, Fe12, Cu24,5, Al71Pd21Re8.

Известен способ получения отражающего покрытия (патент РФ №1805137, С23С 14/14, оп. 30.03.93), заключающийся в осаждении на подложку металлических слоев методом катодного распыления в ячейке Пеннинга. В этом случае получали отражающее покрытие с промежуточным слоем магния толщиной ˜ 1,5 нм.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения квазикристаллических пленок на основе алюминия (Al-Cu-Fe) методом послойного магнетронного распыления переменным током материалов, соответствующих составу квазикристаллической пленки с последующим отжигом. Этим методом получали пленки толщиной 300 нм (Klein Т., Symko O.G. // Appl. Phys. Lett. 1994. V.64. №4. P.431). Недостатком этого способа является невозможность выдержать определенную толщину слоя каждого материала из-за высокого давления при напылении и, соответственно, высокой скорости напыления, что в свою очередь ведет к несовершенству структуры квазикристаллической пленки. Кроме того, этим способом нельзя получить сплошные пленки толщиной менее 3-5 нм.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является стабильное получение пленок квазикристаллической структуры.

Для этого предложен способ получения квазикристаллических пленок на основе алюминия, заключающийся в послойном нанесении материалов, соответствующих составу квазикристаллической пленки на подложку с последующим отжигом, при этом послойное нанесение материалов проводят методом катодного распыления в ячейке Пеннинга, при этом количество секций и материал катодов ячейки соответствуют составу квазикристаллической пленки, после чего наносят защитное покрытие Al2О3, а затем проводят вакуумный отжиг.

Кроме того, общую толщину квазикристаллической пленки формируют, изменяя общее количество и толщину наносимых слоев.

В качестве материалов, наносимых совместно с алюминием, выбирают материалы из рада Cu, Fe, Cr, Со, V, Ni, Ti, Mn, Pd, Ru, Re, Rh, Ir, Mn, Mo, Os, Si, Mg, Li.

Нами применяется метод катодного распыления материалов с низким давлением рабочего газа. При этом компоненты, входящие в состав квазикристаллической пленки, наносятся послойно, затем покрытие подвергается термообработке до образования квазикристаллической фазы. Применяемый метод благодаря низкому давлению рабочего газа и, следовательно, более низкой скорости нанесения, имеет то преимущество, что позволяет точнее выдерживать толщины слоев компонентов (что необходимо для получения состава, соответствующего квазикристаллической фазе), чем в методах с более высоким давлением рабочего газа. Кроме того, возможность получать тонкие (1-5 нм) слои позволяет создавать многослойные пленки с чередованием слоев из материалов, входящих в состав квазикристалла, что при последующем отжиге улучшает диффузию материалов, что также приводит к стабилизации состава пленки. Наносимое защитное покрытие в той же ячейке из Al2O3 предотвращает унос материалов из пленки при последующем отжиге, что также обеспечивает сохранение точности состава квазикристаллического материала. Квазикристаллические сплавы на основе алюминия бывают двух компонентные, трехкомпонентные и многокомпонентные. В квазикристаллический сплав могут входить следующие элементы: Cu, Fe, Cr, Со, V, Ni, Ti, Mn, Pd, Ru, Re, Rh, Ir, Mn, Mo, Os, Si, Mg, Li, которые возможно напылять катодным распылением в ячейке Пеннинга.

На фигуре 1 показана схема установки для получения квазикристаллических пленок, где 1 - вакуумная камера, 2 - аноды, 3 - катоды, 4 - подложка, 5 - соленоид.

На фигуре 2 дана рентгенограмма квазикристаллической пленки AlCuFe толщиной около 300 нм (пример 1).

На фигуре 3 дана рентгенограмма квазикристаллической пленки AlPdRe толщиной около 300 нм (пример 4).

Структура полученных пленок исследовалась методом скользящего пучка на дифрактометре D8 Advance фирмы Broker AXS. Для фокусировки рентгеновского Cu kα излучения использовалось зеркало Гебеля. Индицирование рентгенограмм проведено по схеме Кана (Chan J.W., Shechtman D., Gratias D. // J. Mater. Res. 1986. V.1. №1. P.13).

Способ осуществляется следующим образом.

Послойное напыление пленок осуществляется в вакуумной камере 1 методом катодного распыления с использованием ячейки Пеннинга, которая состоит из четырех катодов 3, двух полых анодов 2 и соленоида 5, который расположен вне вакуумной камеры 1. Катоды изготавливают из материала, который будет напыляться. Катоды могут быть изготовлены из следующих материалов: Al, Cu, Fe, Pd и Re, и любых других материалов, которые создают квазикристаллическую структуру и их можно подвергнуть катодному распылению.

Напыление осуществляется следующим образом: с помощью соленоида 5 создается магнитное поле, подается высокое напряжение на катоды 3 и с помощью натекателя (не показан) в вакуумную камеру 1 подается рабочий газ, например, Kr. Между катодами 3 загорается разряд. Ионизированный рабочий газ Kr бомбардирует поверхность катода, выбиваемые при этом частицы попадают на подложку 4, формируя слой определенного материала нужной толщины.

Для напыления квазикристаллических пленок в вакуумной установке устанавливают три независимые секции для катодного распыления, например, Al, Cu, Fe. Подложки (например, полированный кремний, стекло, сапфир, ситалл), на которые будут напыляться металлические пленки, закрепляют на подвижные тележки, которые можно перемещать от секции к секции с помощью механического привода.

Предварительно перед нанесением квазикристаллических пленок определялась скорость нанесения каждого из металлов. Контроль за толщиной осуществлялся с помощью профилометра Alpha-Step.Скорость напыления определялась с точностью до одной сотой нм/мин и составила для Al - 1,16 нм/мин, Cu - 1,55 нм/мин и Fe - 0,97 нм/мин. Режим напыления: напряжение - 3,5 кВ, ток -1 мА, давление рабочего газа от 2 до 5×10-5 Торр. Режим для всех металлов одинаков и регулировался с помощью подачи рабочего газа. Режим подбирался эмпирически таким образом, чтобы получать сплошные, аморфные пленки.

Затем вакуумную камеру откачивают и обезгаживают с помощью термического нагрева. Откачка установки производится с помощью турбомолекулярного и ионного насосов. Время обезгаживания 4-5 часов при температуре 150-200°С.

По достижении необходимого вакуума 1×10-7 Торр попеременно зажигают каждую катодную секцию для очистки поверхности от окисных пленок и адсорбированных газов в течении 10-20 мин до установления стабильного горения разряда. Подложки в это время находятся в месте, недоступном для попадания на них частиц металлов. После этого подложки последовательно вводят в зоны напыления металлов. Последовательность слоев, толщина и их количество определяются техническим заданием. Общее количество слоев может варьироваться, т.е.общая толщина пленки может напыляться, например, в три, шесть или другое число слоев. После этого, на нанесенное покрытие в этой же ячейке напыляют защитный слой Al2O3 толщиной ˜ 10 нм, распыляя катод из алюминия при подаче кислорода. Это необходимо для того чтобы при последующем вакуумном отжиге не происходило уноса материалов, что приводит к нарушению соотношения материалов в пленке.

Примеры.

Подложки 4 из сапфира закрепляли на подвижные тележки и загружали в вакуумную установку 1. В качестве катодов 3 для одной системы были использованы металлы Al, Fe, Cu, а для другой Al, Pd, Re.

Пример 1

Покрытие состава Al64,3Cu24,4Fe11,4

Методом катодного напыления наносим слои Al/Fe/Cu толщиной 69,6/8,7/18,6 нм соответственно. Напыление каждого материала производим в три этапа, т.е. наносим 9 слоев, повторяя чередование слоев три раза: 3·(Al/Fe/Cu), суммарная толщина покрытия 290,7 нм. После нанесения слоистой структуры напыляем защитный слой Al2O3 толщиной 10 нм. Изделие с покрытием отжигаем в вакууме при давлении ˜10-5 Торр 3 часа при температуре 350°С и два часа при температуре 650°С. В результате получена пленка с практически 100% квазикристаллической структурой, что подтверждается рентгенограммой фиг.2.

Пример 2

Покрытие состава Al66,5Cu23Fe10,5

Методом катодного напыления наносим слои Al/Fe/Cu толщиной 34,8/3,9/8,5 нм соответственно. Напыление каждого материала производим в два этапа, т.е. наносим 6 слоев, повторяя чередование слоев 2 раза: 2·(Al/Fe/Cu), суммарная толщина покрытия 94,4 нм. После нанесения слоистой структуры напыляем защитный слой Al2O3 толщиной 10,0 нм. Изделие с покрытием отжигаем 3 часа при температуре 350°С и два часа при температуре 650°С.

Пример 3

Покрытие состава Al65Cu22,5Fe12,5

Методом катодного напыления наносим слои Al/Fe/Cu толщиной 208,8/28,1/51,1 нм соответственно, суммарная толщина покрытия 288,0 нм. После нанесения слоистой структуры напыляем защитный слой Al2O3 толщиной 10,0 нм. Изделие с покрытием отжигаем 3 часа при температуре 350°С и два часа при температуре 650°С.

Пример 4

Покрытие состава Al72,7Pd20,8Re6,5

Методом катодного напыления наносим слои Al/Pd/Re толщиной 69,6/18,5/5,8 нм соответственно. Напыление каждого материала производим в три этапа, т.е. наносим 9 слоев, повторяя чередование слоев три раза: 3·(Al/Pd/Re), суммарная толщина покрытия 281,7 нм. После нанесения слоистой структуры напыляем защитный слой Al2О3 толщиной 10,0 нм. Изделие с покрытием отжигаем 3 часа при температуре 350°С и два часа при температуре 700°С. В результате получена пленка с практически 100% квазикристаллической структурой, что подтверждается рентгенограммой фиг.3.

Таким образом, способ позволяет получать квазикристаллические пленки на основе алюминия стабильного состава, что определяет их высокие технологические свойства - электропроводность, теплопроводность, твердость и пр., что позволит широко использовать эти покрытия в машиностроении, авиапромышленности, реакторостроении.

Похожие патенты RU2329333C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО НИКЕЛЕВОГО ПОКРЫТИЯ С КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ 2011
  • Михеева Маргарита Николаевна
  • Круглов Виталий Сергеевич
  • Цетлин Михаил Борисович
  • Конарев Александр Андреевич
  • Абузин Юрий Алексеевич
  • Платонов Герман Леонидович
  • Шайтура Дмитрий Сергеевич
  • Головкова Екатерина Анатольевна
  • Теплов Алексей Аркадьевич
RU2478739C1
КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ КВАЗИКРИСТАЛЛА СИСТЕМЫ Al-Cu-Fe И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2017
  • Екимов Евгений Алексеевич
  • Иванов Александр Сергеевич
  • Паль Александр Фридрихович
  • Рябинкин Алексей Николаевич
  • Серов Александр Олегович
  • Старостин Андрей Никонович
RU2751205C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Cu-Fe 2021
  • Дегтярев Александр Фёдорович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Муханов Евгений Львович
  • Нуралиев Фейзулла Алибаба Оглы
  • Ульянов Михаил Васильевич
RU2781329C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ 2009
  • Ефимочкин Иван Юрьевич
  • Клевачев Алексей Михайлович
  • Королев Алексей Викторович
  • Федотов Сергей Владиславович
RU2430995C2
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ 2007
  • Фармаковский Борис Владимирович
  • Быстров Руслан Юрьевич
  • Васильев Алексей Филиппович
  • Улин Игорь Всеволодович
  • Сергеева Оксана Сергеевна
  • Геращенков Дмитрий Анатольевич
  • Михеева Маргарита Николаевна
  • Теплов Алексей Аркадьевич
RU2362839C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКОЛ С ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ТИТАНА 2010
  • Суркин Ринат Равилевич
  • Жималов Александр Борисович
  • Бондарева Лидия Николаевна
  • Горина Инесса Николаевна
  • Геранчева Ольга Евгеньевна
  • Полкан Галина Алексеевна
RU2434819C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК 2002
  • Гусев В.К.
  • Тулина Л.И.
  • Уткин В.П.
RU2233350C2
Износостойкий сплав на основе квазикристаллической композиции Al-Cu-Fe 2022
  • Бобкова Татьяна Игоревна
  • Васильев Алексей Филиппович
  • Самоделкин Евгений Александрович
  • Улин Игорь Всеволодович
  • Фармаковский Борис Владимирович
RU2794146C1
Полимер-квазикристаллическая порошковая композиция для получения антикоррозийных защитных покрытий 2016
  • Чуков Дилюс Ирекович
  • Степашкин Андрей Александрович
  • Чердынцев Виктор Викторович
  • Калошкин Сергей Дмитриевич
  • Максимкин Алексей Валентинович
  • Няза Кирилл Вячеславович
  • Мостовая Ксения Сергеевна
RU2630796C1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ КВАЗИКРИСТАЛЛА СИСТЕМЫ Al-Cu-Fe ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО, НАНОСТРУКТУРНОГО ПОКРЫТИЯ 2009
  • Пескова Анна Сергеевна
  • Виноградова Татьяна Сергеевна
  • Фармаковский Борис Владимирович
  • Улин Игорь Всеволодович
  • Юрков Максим Анатольевич
  • Шолкин Сергей Евгеньевич
  • Михеева Маргарита Николаевна
RU2434077C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 329 333 C1

Реферат патента 2008 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к способам получения квазикристаллических материалов, в частности пленок состава Al-Pd-Re, Al-Fe-Cu, которые могут использоваться благодаря своим уникальным свойствам в подшипниках, применяться в качестве защитных покрытий в различных отраслях машиностроения, авиапромышленности и реакторостроения. Осуществляют послойное нанесение материалов методом катодного распыления в ячейке Пеннинга. Количество секций и материалы катодов ячейки выбирают в соответствии с составом квазикристаллической пленки. Затем наносят защитное покрытие Al2O3 и проводят вакуумный отжиг. Общую толщину квазикристаллической пленки формируют за счет изменения толщины и общего количества наносимых слоев. В качестве материалов, наносимых совместно с алюминием, выбирают материалы из группы Cu, Fe, Cr, Со, V, Ni, Ti, Mn, Pd, Ru, Re, Rh, Ir, Mn, Mo, Os, Si, Mg, Li. Получают квазикристаллические пленки стабильного состава, обладающие высокими технологическими свойствами - электропроводностью, теплопроводностью и твердостью. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения RU 2 329 333 C1

1. Способ получения квазикристаллических пленок на основе алюминия, включающий послойное нанесение материалов, соответствующих составу квазикристаллической пленки, на подложку с последующим отжигом, отличающийся тем, что послойное нанесение материалов проводят методом катодного распыления в ячейке Пеннинга, количество секций и материалы катодов, в которой выбирают в соответствии с составом квазикристаллической пленки, после чего наносят защитное покрытие Al2О3, а затем проводят вакуумный отжиг.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что общую толщину квазикристаллической пленки формируют за счет изменения толщины и общего количества наносимых слоев.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов, наносимых совместно с алюминием, выбирают материалы из группы Cu, Fe, Cr, Со, V, Ni, Ti, Mn, Pd, Ru, Re, Rh, Ir, Mn, Mo, Os, Si, Mg, Li.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2329333C1

US 6294030 A, 25.09.2001
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОДНОФАЗНОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ AL-CU-FE В ВИДЕ ПОРОШКА 2003
  • Сумароков В.Н.
  • Брязкало А.М.
  • Михеева М.Н.
  • Теплов А.А.
  • Ласкова Г.В.
RU2244761C1
УПРОЧНЕННЫЙ ОСАЖДЕНИЕМ СПЛАВ 1994
  • Халтин Стигенберг Анна
  • Нильсон Ян-Олоф
  • Лиу Пинг
RU2135621C1
US 6254700 A, 03.07.2001
US 6254699 A, 03.07.2001
US 5419789 A, 30.05.1995.

RU 2 329 333 C1

Авторы

Михеева Маргарита Николаевна

Теплов Алексей Аркадьевич

Шайтура Дмитрий Сергеевич

Ольшанский Евгений Дмитриевич

Долгий Дмитрий Иосифович

Даты

2008-07-20Публикация

2006-10-12Подача