Способ легирования тантала кадмием

(51) 30 31/20 (2006.01) 30 31/22 (2006.01) 01 39/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Способ легирования тантала кадмием включает одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние и соосаждение их субслоями в виде островкового покрытия размером частиц тантала и/или кадмия менее критического,при этом концентрация кадмия в сплаве не превышает 55 масс. , получение сплавов на основе альфа-тантала ведут при концентрации кадмия в интервале 48-55 масс.кадмия, сплавов на основе бета-тантала - при концентрации менее 33 масс.кадмия. Технический результат заключается в получении металлических пленок сплавов тантала и кадмия и возможности получения сплавов на основе альфа- и бета- тантала.(72) Тулеушев Юрий Жианшахович Володин Валерий Николаевич(73) Республиканское государственное предприятие Институт ядерной физики Комитета по атомной энергии Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(54) СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ТАНТАЛА КАДМИЕМ(57) Изобретение относится к области получения специальных сплавов в виде покрытий или самонесущих изделий и может быть использовано в металлургии, машиностроении, материаловедении и других отраслях. 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 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 для легирования материала необходим нагрев подложки, что делает невозможным получение сплавов вследствие отсутствия взаимной растворимости кадмия и тантала, как в твердом, так и жидком состояниях Известен также способ повышения критического тока сверхпроводника легированием (Патент Российской Федерации 2172043, кл. Н 01 39/00,39/24, оп. 10.08.2001, Бюлл. 22), в котором легирование осуществляют одновременным со сдвигом в пространстве распылением металлаосновы 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 основы сверхпроводника, что не позволяет получить твердые растворы - сплавы, 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, что для системы тантал - кадмий практически не осуществимо. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ легирования металлов в пленках (Патент Российской Федерации 2276206,кл. С 23 С 31/22, 01 39/00, оп. 10.05.2006, Бюлл. 13), 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, 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. Способ имеет недостатки, обусловленные тем, что такие различающиеся по физическим свойствам металлы как тантал и кадмий имеют концентрационные пределы существования твердых растворов, а также отсутствием условий для 2 формирования сплавов на основе альфа- и бетатантала. Технический результат от совокупности влияния признаков,предлагаемых в изобретении,заключается в получении металлических пленок сплавов тантала и кадмия и возможности получения сплавов на основе альфа- и бета-тантала. Технический результат достигается в способе легирования тантала кадмием, включающий одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние и соосаждение их субслоями в виде островкового покрытия размером частиц тантала и/или кадмия менее критического, в котором концентрация кадмия в сплаве не превышает 55 масс. , получение сплавов на основе альфа-тантала ведут при концентрации кадмия в интервале 45-55 масс.кадмия, сплавов на основе бета-тантала - при концентрации менее 33 масс.кадмия. 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, при этом разница по сравнению с компактным металлом достигает сотен градусов. Поэтому соосаждение частиц тантала и/или кадмия малых размеров, когда они находятся в жидкой форме, в виде расположенных рядом и соприкасающихся островков, сопровождается слиянием их и образованием раствора. Коалесценция жидких частиц (одной или нескольких) приводит к увеличению размера капли более критического размера и переходу частицы в твердое состояние. Многократное повторение процессов приводит к формированию пленки твердого раствора легированию металла при очень низкой температуре. Превышение концентрации кадмия в тантале более 55 масс.приводит к разрушению кристаллической решетки тантала вследствие внутренних напряжений,обусловленных присутствием атомов кадмия в решетке тантала (в растворе замещения). Тантал существует в двух модификациях альфатантал с объемно-центрированной кубической решеткой (0.3305 нм) и бета-тантал - с тетрагональной решеткой (1.0194 и с 0.5313 нм). Бета-тантал получают электролизом из расплавов солей в виде мелкодисперсного порошка. Последующее нагревание до 1000 С сопровождается необратимым переходом бетатантал альфа-тантал. При ионно-плазменном напылении получают пленки, как тантала, так и его сплавов с другими металлами (алюминием, свинцом, медью) бетамодификации. В сплавах тантала с кадмием до 33 масс.в сплаве получают матричную решетку бета-тантала,при 45-55 масс.- матричную решетку альфатантала. Это дает возможность получения матричного тантала нужной модификации, что на 800-900 С ниже температуры фазового перехода, 30108 происходящего при обычных условиях. В интервале концентраций 33-45 масс.сплавы представлены смесью альфа- и бета- модификаций тантала. Пример. При легировании тантала приготовление образцов производили одновременным распылением мишеней из тантала и кадмия в плазме низкого давления и осаждением распыленных металлов на перемещающиеся относительно потоков плазмы не обогреваемые подложки из кремния. 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 тантал, содержащий 99,96 мас.основного элемента, и кадмий - 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 указаны образовавшиеся фазы и приведены параметры решеток матричного тантала при различной концентрации кадмия в сплаве. Таблица Фазы и параметры решеток фаз в покрытии сплавов тантал-кадмий Концентрацияв покрытии, масс.4,3 6,4 11,3 17,4 33,0 45,0 49,6 55,0 60,0 Твердый раствор является замещением в узлах кристаллической решетки атомов матричного тантала атомами кадмия. 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. Из таблицы видно, что до концентрации 33 масс.кадмия сплав представлен бета-танталом,в интервале 45-55 мас.кадмия сплав представлен фазой альфа-тантала. То есть, изменением концентрации кадмия в сплаве можно управлять модификацией тантала. При концентрации кадмия в системе 60 масс.сплав тантала с кадмием не образуется, так как покрытие представлено фазой кадмия и аморфной фазой тантала. Таким образом,приведенные примеры реализации способа и результаты свидетельствуют о получении металлических пленок сплавов танталкадмий и возможности получения сплавов на основе альфа- и бета-тантала. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ легирования тантала кадмием,включающий одновременное со сдвигом в пространстве распыление металла и легирующего элемента в нанодисперсное состояние и соосаждение их субслоями в виде островкового покрытия размером частиц тантала и/или кадмия менее критического, отличающийся тем, что концентрация кадмия в сплаве не превышает 55 мас., получение сплавов на основе альфа-тантала ведут при концентрации кадмия в интервале 45-55 мас. кадмия, сплавов на основе бета-тантала - при концентрации менее 33 масс.кадмия.