Регистрация / Вход
Прислать материал

14.582.21.0005

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.582.21.0005
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Защитные покрытия"
Название доклада
Разработка технологии нанесения тугоплавкого инертного нанодиффузионного покрытия методом химического парофазного осаждения, применимой для изделий сложной формы, имеющих полости
Докладчик
Гончаров Олег Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основная цель работы - разработка технологических схем химического парофазного безводородного, низкотемпературного осаждения прецизионных по составу многослойных покрытий и создание оборудования для осаждения покрытий на детали сложной формы.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1) проведен анализ вариантов осаждения парофазных покрытий;
2) разработаны три унифицированных лабораторных установки для нанесения покрытий на различные виды образцов;
3) оптимизированы технологические режимы осаждения покрытий;
4) разработан проект экспериментальной установки для мелкосерийного осаждения покрытий из газовой фазы.
Актуальность и новизна исследования
Тугоплавкие покрытия востребованы для защиты поверхности от высокотемпературной коррозии (в турбинных лопатках, оружейных стволах, т.д.), для повышения износостойкости поверхностей (пресс-формы, фильеры), в качестве тонкопленочных рабочих элементов различных устройств (в конденсаторах, геттерах, катализаторах и т.д. ), в качестве биологически совместимых материалов.
Одним из наиболее оптимальных способов нанесения покрытий является химическое газофазное осаждение (CVD – chemical vapour deposition). Метод CVD основан на доставке паров реагентов к подложке потоками газа-носителя и, в отличие от других методов, позволяет наносить покрытия на внутренние и внешние поверхности изделий с относительно высокой скоростью роста без применения высокого вакуума.
Для нанесения покрытий необходимо решать комплекс научно-технических проблем. В частности необходимо предотвратить разрушение покрытий при изменении температур от температуры получения до комнатной и потом до рабочей температуры. Кроме того, важно обеспечить адгезию покрытия к подложке и предотвратить образование таких соединений на границе "покрытие-подложка", которые могут привести к ухудшению характеристик покрытия.
Решение указанных проблем практически весьма актуально и требует разработки технологических схем нанесения тугоплавких поверхностных многослойных структур, состоящих из функциональных и барьерных слоев, предотвращающих межслоевые взаимодействия.
Нами предложен новый подход к нанесению многослойных CVD покрытий, позволяющий получать высокочистые покрытия при некотором снижении температуры осаждения, по сравнению с водородным восстановлением.
Описание исследования

Анализ CVD-процессов

1) Пиролиз металлорганических соединений (МO CVD). Проводится при относительно низких температурах, но в покрытиях может присутствовать до 15% примесей, вносимых металлорганическими соединениями.
2) Восстановление водородом галогенидов тугоплавких металлов позволяет снизить температуру разложения галогенидов. Может сопровождаться водородным охрупчиванием и растрескиванием и т.д. покрытий, подложки и материалов реактора.
3) Восстановление металлами Cd, Zn галогенидов тугоплавких металлов. Также позволяет снизить температуру разложения галогенидов и позволяет не использовать водород.

Был проведен термодинамический анализ возможностей осаждения в ряде систем «галогенид – металл-восстановитель»:
- Осаждение Mo - в системе  «MoCl5 – Cd»;
- Осаждение Ta - в системах «TaCl5 – Cd», «TaCl5 – Zn», «TaBr5 – Cd», «TaBr5 – Zn», «TaI5 - Cd», «TaI5 - Zn»;
- Осаждение TaC, Ta2C - в системах «TaBr5-CCl4-Cd».

Разработка CVD оборудования

При разработке CVD установок ориентировались на стандартные схемы нанесения покрытий в реакторе проточного типа. Учитывались возможности использования различных типов реагентов для проведения CVD, в том числе и возможность восстановления галогенидов металлов парами кадмия. Были выбраны материалы пригодные для работы в CVD-реакторах. Разработаны испарители для дозирования жидких и твердых реагентов с высокой точностью задания концентраций реагентов в потоке газе-носителя, а также  специальный блок для испарения и подачи конденсированных реагентов по отдельным каналам и их смешением вблизи подложки. Все установки автоматизированы и разработано программное обеспечение, позволяющее работать на установках в автоматическом режиме.

Осаждение покрытий

Были проведены эксперименты по осаждению покрытий Mo, Ta, TaC на различные типы подложек и найдены условия получения плотных покрытий.

Реагенты

Покрытия

Подложки

MoCl5 + Cd

Mo

Fe, сталь 12Х18Н10Т,
сплав ЖС6

TaBr5 + Cd

Ta

Cu, Mo, Fe, SiO2, Al2O3,
сталь 12Х18Н10Т, сплав ЖС6

TaBr5 + CCl4 + Cd

TaC

Fe, Ta, сталь 12Х18Н10Т, сплав ЖС6

Zr(C5H7O2)4 + O2

ZrO2

Fe, сталь 12Х18Н10Т

Покрытия исследовались методами электронной микроскопии и рентгеновской дифракции.

Результаты исследования

Разработана новая CVD-технология и оборудование для проведения безводородного низкотемпературного осаждения тугоплавких покрытий. В процессе работы получены следующие результаты:

1. Термодинамические расчеты показали, что применение кадмия для восстановления галогенидов позволит эффективно снизить температуры осаждения покрытий. Показано, что Mo, Ta, TaC могут осаждаться при температурах выше 820 К. Кроме того, образование летучих оксигалогенидов будет способствовать снижению негативного влияния примесей кислорода на качество покрытий.

2. Созданы CVD-установки, позволяющие получать покрытия не только с использованием традиционного подхода (MO CVD, водородное восстановление), но и по безводородной низкотемпературной технологии.

3. Разработанные универсальные испарители-дозаторы имеют высокую точность задания концентраций реагентов в потоке газе-носителя и позволяют работать с различными типами жидких и конденсированных реагентов, что позволит использовать их не только в CVD установках.

Разработанные технологии и установки являются новыми и сопоставимы с наиболее передовыми разработками наших коллег.

Практическая значимость исследования
Практически важны для создания технологического оборудования и процессов являются следующие результаты:
1) Теоретическое обоснование возможностей безводородного осаждения тугоплавких покрытий с помощью газотранспортных химических реакций.
2) Опыт по разработке и созданию трех CVD-реакторов для нанесения покрытий на детали разной формы.
3) Экспериментальная работы по нанесению ряда покрытий Mo, Ta, ZrO2, карбидов тантала на различные виды подложек.
Разработанный проект экспериментальной установки для CVD-процессов имеет перспективы промышленного использования для мелкосерийного производства.
Постер

Poster_template_IN.ppt