Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия

Изобретение относится к способу получения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия с высокой скоростью при пониженной температуре. Способ включает нанесение на поверхность изделия изоструктурного подслоя из оксида хрома, нагрев изделия, плавление и испарение алюминия и осаждение покрытия на поверхность изделия в кислородно-аргоновой плазме разряда в условиях ионной бомбардировки. Концентрация аргон-кислородной плазмы и скорость испарения алюминия регулируют независимо и в широких пределах изменением распределения тока между анодом-тиглем, в котором происходит плавление и испарение алюминия, и полым анодом-ионизатором, через который напускают кислород. Формирование покрытий со структурой альфа-оксида алюминия достигают тем, что при заданном значении скорости испарения алюминия устанавливают величину потенциала смещения на изделиях и ток в цепи анода-ионизатора, при которых обеспечивается требуемая для формирования нанокристаллической альфа-фазы оксида алюминия плотность тока и энергия ионов на поверхности растущего покрытия. Для формирования покрытия со структурой альфа-фазы оксида алюминия со скоростью 3-5 мкм/ч при температуре изделия 600оС температура поверхности расплава составляет 950-1000оС при плотности ионного тока и потенциале смещения в диапазоне 3-10 мА/см2 и 25-200 В, соответственно. 2 ил.

 

Изобретение относится к области нанесения функциональных покрытий на изделиях из металлов и диэлектриков. Покрытия из оксида алюминия характеризуются высокой термостойкостью, химической инертностью, твердостью, прочностью при сжатии, теплоизоляционной способностью и широко применяются для защиты изделий, эксплуатирующихся в условиях высоких температур или воздействия агрессивных сред. По совокупности характеристик наибольший интерес для практического использования представляет термостабильная ромбоэдрическая фаза оксида алюминия (альфа-оксид алюминия), твердость которой достигает 25 ГПа, а температура плавления 2044°С.

Известно применение метода реактивного магнетронного распыления для нанесения покрытий из оксида алюминия [Е. Wallin, Т.I. Selinder, М. Elfwing, U. Helmersson, Synthesis of α-Al2O3 thin films using reactive high-power impulse magnetron sputtering, EPL, 82 (2008) 36002]. Покрытия со структурой альфа-оксида алюминия получают при температуре изделий не менее 650°С. Недостатком метода является низкая скорость роста покрытий, обусловленная образованием на поверхности алюминиевой мишени слоя оксида, коэффициент ионного распыления которого значительно ниже, чем у чистого металла [Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. II. Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности: Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша. М.: Мир, 1986. 488 с]. Скорость нанесения покрытия методом реактивного магнетронного распыления не превышала 1 мкм/ч.

Наиболее распространенным способом нанесения диэлектрических оксидных покрытий с высокой скоростью (~102 нм/с) является реактивное электронно-лучевое испарение металлов. Известен способ, в котором алюминиевую мишень испаряли сфокусированным пучком электронов с энергией 5-25 кэВ, ионизовали пар и аргон-кислородную газовую смесь с помощь дополнительного сильноточного (400 А) разряда с самонакаливаемым полым катодом и получали покрытия из гамма-оксида алюминия при температуре не менее 700°С [О. Zywitzki, K. Goedicke, Н. Morgner, Structure and properties of Al2O3layers deposited by plasma activated electron beamevaporation, Surface and Coatings Technology 151-152 (2002) 14-20]. Способ обеспечивал высокую плотность ионного тока на поверхности покрытия (вплоть до 75 мА/см2), однако технический результат, заключающийся в получении альфа-оксида алюминия достигнут не был.

Прототипом изобретения является способ низкотепературного (600°С) нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия, в котором осуществляется локальный нагрев алюминиевого катода в дуговом разряде, его испарение в катодных пятнах и осаждение покрытия на металлическую подложку в кислородсодержащей среде [J. Rosen, S. Mraz, U. Kreissig, D. Music, J.M. Schneider, Effect of Ion Energy on Structure and Composition of Cathodic Arc Deposited Alumina Thin Films, Plasma Chemistry and Plasma Processing, V. 25, N. 4, 2005, 303-317]. Известным недостатком метода является наличие микрокапельной фракции материала катода в потоке частиц, поступающих на поверхность обрабатываемых изделий и ухудшающих свойства покрытий. Для сепарации капельной фракции применяются фильтры и специальные электродные системы, что значительно усложняет конструкцию испарителя и снижает скорость роста покрытий. В указанном способе поток ионов, генерируемый в дуге с катодным пятном, имеет широкий энергетический спектр, а плотность ионного тока и скорость роста покрытий не могут изменяться независимо. Таким образом, способ имеет существенные ограничения по регулировке ключевых параметров процесса нанесения покрытий и управлению их структурно-фазовым состоянием.

Предлагаемый способ решает задачу получения нанокристаллических покрытий из альфа-оксида алюминия методом реакционного анодного испарения алюминия. Поставленная задача решается следующим образом. Покрытия наносят способом, в котором используют разряд с самонакаливаемым полым катодом в потоке аргона, электронный ток распределяют между анодом-тиглем, в котором происходит плавление и испарение алюминия, и полым анодом-ионизатором, через который подают кислород. Вначале зажигают разряд в аргоне и увеличивают ток разряда в цепи анода-тигля до значений, обеспечивающих плавление алюминия в полости анода-тигля и его испарение с заданной скоростью. Затем устанавливают величину потенциала смещения на образце, подают кислород через полый анод-ионизатор и увеличивают ток в его цепи до значений, при которых плотность ионного тока на поверхности обрабатываемых изделий при заданных значениях скорости испарения алюминия и потенциала смещения обеспечивают формирование нанокристаллической альфа-фазы оксида алюминия. Для формирования покрытий со структурой альфа-оксида алюминия со скоростью 3-5 мкм/ч при температуре изделий 600°С устанавливают плотность ионного тока и потенциал смещения 3-10 мА/см2 и 25-200 В, соответственно, при температуре поверхности расплава 950-1000°С.

В отличие от прототипа [J. Rosen, S. Mraz, U. Kreissig, D. Music, J.M. Schneider, Effect of Ion Energy on Structure and Composition of Cathodic Arc Deposited Alumina Thin Films, Plasma Chemistry and Plasma Processing, V. 25, N. 4, 2005, 303-317], в предложенном способе поток испаренного материала не содержит микрокапельной фракции, энергия ионов определяется величиной потенциала смещения образцов, а совместное использование анода-тигля и анода-ионизатора с независимо регулируемыми токами электронов обеспечивает раздельное управление скоростью испарения алюминия и плотностью тока ионов на поверхности конденсации испаренных атомов, что позволяет эффективно управлять условиями роста покрытия и, соответственно, его структурно-фазовым состоянием. Самонакаливаемый полый катод способен поддерживать разряд с током, регулируемым в широких пределах (1-100 А), причем ток разряда задается величиной напряжения на разрядном промежутке и потока

аргона, напускаемого в объем катода, и не зависит от давления паров металла и кислорода в анодной области, что позволяет поддерживать требуемый ток в цепи каждого из анодов.

Предложенный способ был реализован на установке, схема которой показана на Фиг. 1. Установка включала вакуумную камеру 1, на верхней крышке которой был установлен катодный узел 2, состоявший из водоохлаждаемого корпуса и самонакаливаемого полого катода с внутренним диаметром 11 мм. Внутри вакуумной камеры 1 размещался неохлаждаемый анод-тигель 3 с диаметром полости 8 мм, и анод-ионизатор 4, внешняя поверхность которого была закрыта керамическим изолятором. Напротив анода-тигля 3 на расстоянии 6 см был установлен держатель образцов 5. С тыльной стороны держателя образцов 5 размещался резистивный нагреватель 6, тепловое излучение которого обеспечивало нагрев образцов до 600оС. Аргон напускался через катодную полость со скоростью 40 см3/мин. Поток кислорода 30 см3/мин подавался в объем через анод-ионизатор 4. Токи в цепи анода-тигля и анода-ионизатора регулировались двумя независимыми источниками питания 7 и 8. Блок питания 9, подключенный к держателю образцов, задавал напряжение смещения в импульсно-периодическом режиме (50 кГц, 10 мкс). Между анодом-тиглем и держателем образцов на стадии разогрева тигля до температуры, при которой достигается требуемая скорость испарения алюминия, устанавливалась заслонка 10.

Способ нанесения покрытия осуществлялся следующим образом. В отдельной камере реактивным магнетронным распылением на образцы наносили подслой оксида хрома, изоструктурный с альфа-оксидом алюминия, толщиной 100-200 нм. Затем образцы устанавливали на держатель 5. В анод-тигель 3 загружали гранулы алюминия класса «ЧДА» (ТУ 6-09-3742-74) массой 0,1 гр. Вакуумную камеру откачивали до давления 10-3 Па. Включали нагреватель 6. За время ~5 мин температура образцов достигала 600 оС. Затем напускали аргон со скоростью 40 см3/мин и включали блок питания 7, который обеспечивал зажигание разряда, разогрев самонакаливаемого катода и его переход в термоэмиссионный режим. Увеличивали ток в цепи анода-тигля до значений (3-3,8 А), при которых обеспечивается плавление алюминия и его испарение с требуемой скоростью. Калибровочная зависимость скорости роста покрытия от тока в цепи анода-тигля была определена в предшествующих экспериментах по результатам измерения толщины покрытия методом абразивного шарового истирания на приборе Calotest. Задавали величину потенциала смещения образцов и тока в цепи анода-ионизатора 4, устанавливали поток кислорода 30 см3/мин. Для формирования покрытий со структурой альфа-оксида алюминия со скоростью 3-5 мкм/ч при температуре образцов 600 оС плотность ионного тока и потенциал смещения устанавливали в диапазоне 3-10 мА/см2 и 25-200 В, соответственно. Открывали заслонку 10 и в течение 30 мин наносили покрытие. После нанесения покрытия образцы охлаждали в вакууме при давлении остаточного газа 10-3 Па в течение 30 мин.

Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют о формировании покрытия со структурой альфа-оксида алюминия с характерными размерами кристаллитов 60-15 нм (Фиг. 2).

Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия на поверхность изделия, включающий нагрев изделия, помещенного в вакуумную камеру, плавление алюминия, его испарение и осаждение покрытия в кислородсодержащей среде на поверхность изделия, отличающийся тем, что предварительно на поверхность изделия наносят изоструктурный подслой из оксида хрома, а нанесение покрытия осуществляют реактивным анодным испарением алюминия в разряде низкого давления, при этом изделие нагревают до температуры 600°С, в камеру напускают аргон, зажигают разряд между самонакаливаемым катодом и анодом-ионизатором, плавно увеличивают ток в цепи самонакаливаемый катод - анод-тигель и осуществляют плавление алюминия в полости анода-тигля и его испарение с заданной скоростью, при этом регулируют токи в цепи самонакаливаемый катод - анод-тигель и цепи самонакаливаемый катод - анод-ионизатор посредством двух независимых источников, затем устанавливают величину потенциала смещения изделия, подают кислород через полый анод-ионизатор и увеличивают ток в его цепи, причем плотность ионного тока и потенциал смещения устанавливают 3-10 мА/см2 и 50-200 В, соответственно, и при температуре поверхности расплава 950-1000°С формируют нанокристаллическую фазу оксида алюминия в покрытии.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системе и способу нанесения покрытия. Система включает вакуумную камеру и узел для нанесения покрытия.

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий и может быть использовано для расширения ассортимента деталей машин и инструмента. Способ получения износостойкого градиентного покрытия системы Ti-Al на стальной детали в вакууме включает осаждение интерметаллидного покрытия системы Ti-Al из плазмы вакуумно-дугового разряда в течение 180 мин при давлении 1,5*10-1 Па в среде инертного газа в виде аргона и токах дуговых испарителей в диапазоне 60-120 А и последующее азотирование в дуговом разряде посредством плазменного источника с накальным катодом в течение 60 мин при давлении 2*10-1 Па в среде реакционного газа в виде азота, токе накального катода 100А и токе дугового разряда плазменного источника 50А и температуре детали 550°С.

Изобретение относится к устройству для синтеза покрытий на изделиях. Устройство содержит рабочую вакуумную камеру, размещенный на дне камеры тигель со слитком испаряемого металла внутри него, держатель подложки, источник напряжения смещения и источник питания разряда.

Изобретение относится к области нанесения покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда и может быть использовано для получения фильтрованной плазмы. Способ фильтрации капельной фазы из плазмы вакуумно-дугового разряда при осаждении многослойного покрытия системы Ti-Al на поверхность детали характеризуется тем, что перед деталью на расстоянии 7 мм от нее устанавливают технологическую сетку с квадратными ячейками с оптической прозрачностью 65% из прутка нержавеющей стали, электрически соединяют с упомянутой деталью и подают на упомянутую сетку отрицательный потенциал.

Изобретение относится к области нанесения покрытий из аморфного оксида алюминия на изделия из металла и диэлектриков и может быть использовано в различных областях науки и техники.

Изобретение относится к способу и устройству синтеза сверхтвердого композитного покрытия TiN-Cu и может быть использовано для упрочнения рабочих кромок режущего инструмента.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, алюминия, кремния, хрома и ниобия при их соотношении, мас.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, алюминия, кремния, циркония и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 57,25, алюминий 9,43, кремний 0,86, цирконий 23,34, ниобий 9,12.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, ниобия, алюминия, кремния и молибдена при их соотношении, мас.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, алюминия, кремния, ниобия и железа при их соотношении, мас.

Изобретение относится к получению полосы из высокомарганцевой стали с антикоррозионным покрытием, обеспечивающим повышение свариваемости полос из высокомарганцевой стали следующего состава (в мас.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к теплозащитным покрытиям для защиты поверхности деталей, подверженных воздействию высокотемпературных газовых потоков и выполненных, в том числе, из двухслойных паяных конструкций и может быть использовано для защиты изделий ракетной и авиационной техники.

Изобретение относится к пленочным материалам для управления солнечным светом для использования в остеклении и касается полученных с использованием тройных сплавов панелей с низкой излучательной способностью, включающих в себя подложку и отражающий слой, образованный поверх подложки, а также способов их формирования.

Изобретение относится к способам формирования пористого оксидного материала и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей и суперконденсаторов нового поколения, чувствительных элементов газовых сенсоров.

Изобретение относится к способам формирования пористого оксидного материала и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей и суперконденсаторов нового поколения, чувствительных элементов газовых сенсоров.

Изобретение относится к распылительному блоку магнетрона для осаждения пленок твердых растворов FexTi(1-x)O2 в диапазоне 0<х<0,6 на поверхности металлов, стекол или керамики.

Изобретение относится к области нанесения покрытий из аморфного оксида алюминия на изделия из металла и диэлектриков и может быть использовано в различных областях науки и техники.
Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к оптоэлектронике, а именно к электропроводящим оптически прозрачным покрытиям на основе оксида индия и олова.

Изобретение может быть использовано при нанесении оксидного покрытия, в частности Al-Cr-O, на подложку методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Осуществляют нанесение реакционного PVD-покрытия на поверхность подложки в камере с использованием технологического газа, содержащего химически активный газ, в частности кислород, реагирующий с ионами металлов, полученными из по меньшей мере одной мишени, для осаждения по меньшей мере одного слоя, состоящего из Al, Cr, Si и О.

Изобретение относится к области изготовления диспенсерных катодов на основе скандата бария или других материалов на основе скандата бария, а именно к материалу мишени и мишени для физического осаждения тонких пленок, дисперсному катоду на основе скандата бария и способу его получения и способу получения мишени.
Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу получения нанокапсул, и описывает способ получения нанокапсул танина в оболочке из гуаровой камеди.

Изобретение относится к способу получения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия с высокой скоростью при пониженной температуре. Способ включает нанесение на поверхность изделия изоструктурного подслоя из оксида хрома, нагрев изделия, плавление и испарение алюминия и осаждение покрытия на поверхность изделия в кислородно-аргоновой плазме разряда в условиях ионной бомбардировки. Концентрация аргон-кислородной плазмы и скорость испарения алюминия регулируют независимо и в широких пределах изменением распределения тока между анодом-тиглем, в котором происходит плавление и испарение алюминия, и полым анодом-ионизатором, через который напускают кислород. Формирование покрытий со структурой альфа-оксида алюминия достигают тем, что при заданном значении скорости испарения алюминия устанавливают величину потенциала смещения на изделиях и ток в цепи анода-ионизатора, при которых обеспечивается требуемая для формирования нанокристаллической альфа-фазы оксида алюминия плотность тока и энергия ионов на поверхности растущего покрытия. Для формирования покрытия со структурой альфа-фазы оксида алюминия со скоростью 3-5 мкмч при температуре изделия 600оС температура поверхности расплава составляет 950-1000оС при плотности ионного тока и потенциале смещения в диапазоне 3-10 мАсм2 и 25-200 В, соответственно. 2 ил.

Наверх