Термохимическое осаждение покрытий

Термохимическое осаждение покрытий - по международной класси­фикации CVD (Chemical Vapour Deposition) - является методом форми­рования материалов, деталей или покрытий с плотной структурой из га­зообразных соединений материалов со сравнительно высоким давлением паров. Газообразное соединение, содержащее наносимый материал, по­дается к поверхности детали или форме, где происходит термическая реакция, приводящая к образованию твердых соединений, осаждающихся на поверхность. Газообразные продукты этой реакции отводятся.

Метод CVD имеет множество разнообразных применений, таких, как: нанесение покрытий, получение порошковых и нанопорошковых мате­риалов, керамических волокон, монолитных деталей. С помощью мето­дов CVD можно получать покрытия практически из любых подходящих для этих целей металлов и неметаллов, включая углерод и кремний, а также соединений (карбидов, нитридов, боридов, оксидов, интерметаллидов и др.).

Основным преимуществом метода CVD является использование газо­вых сред, что позволяет наносить покрытия в труднодоступных местах, таких, как отверстия малого диаметра, внутренние полости труб, сосудов и проч. Материал покрытия заполняет мельчайшие поры в поверхности. Кроме того, CVD обеспечивает:

получение покрытий или веществ высокой химической чистоты, обычно 99,99 - 99,999 %;

высокую плотность покрытия (около 100 % от теоретической); высокую равномерность покрытия;

сравнительно высокую производительность и возможность одновре­менной обработки многих деталей.

Установки, применяемые для CVD, в зависимости от назначения мо­гут иметь различные конструктивные особенности, однако все они снаб­жены источником реакционных газов, рабочей камерой (реактором), уст­ройством нагрева, подложки и системой откачки или регенерации газов. Реакторы могут быть различной формы и размеров, а процессы CVD протекать в широком диапазоне давлений (от высокого вакуума до не­скольких атмосфер) и температур. Реакционные газы могут подаваться из баллона со сжатым газом или генерироваться в специальном реакторе. Предусматриваются устройства для контроля расхода газа, его давления, температуры и т.д. Детали, на которые наносятся по­крытия, могут нагреваться печами электросопротивле­ния или индукторами. Чтобы управлять химическими ре­акциями, необходимо тща­тельно контролировать па­раметры процесса. Обяза­тельным условием является химическая нейтрализация вредных газообразных продуктов реакций, откачивае­мых из рабочей камеры. На рис. 5.14 показана ти­пичная схема реактора CVD для нанесения нитрида тита­на, снабженного газогенера­тором для получения газооб­разного соединения TiCl4.

 

 

Рис. 5.14. Принципиальная схема реактора для формирования покрытия TiN

 

Его образование происходит с использованием реакции

Тi + 2С12 → TiCl4.

Четыреххлористый титан (ТiCl4), водород (Н2) и аммиак (NH3), взаимо­действуя на поверхности горячей подложки, образуют соединение TiN:

TiCl4 + NH3 + 1/2Н2 → TiN + 4НС1,

которое осаждается в виде покрытия. Выделяющиеся пары соляной ки­слоты выводятся из реактора.

Следующие реакции также используются для получения покрытий методами CVD:

 

2ReCl5 → Re + 5Cl2,

WF6 + 3H2 → W + 6HF,

WF6 + CH4 + H2 → WC + 6HF,

2NbCl5 + 5H2 → 2Nb + 10HCl,

2NbCl5 + CH4 + 1/2H2 → NbC + 5HCl,

2TaCl5 + CH4 + 1/2H2 → TaCC + 5HCl,

2HfCl4 + CH4 → HfC + 4HCl,

HfCl4 + 2BCl3 + 5H2 → HfB2 + 10HCl,

TiCl4 + 2BCl3 + 5H2 → TiB2 + 10HCl,

TiCl4 + NH3 + 1/2H2 → TiN + 4HCl,

TaCl5 + NH3 + H2 → TaN + 5HCl,

ZrCl4 + 2H2O → ZrO2 + 4HCl,

4BCl3 + CH4 + 4H2B4N + 12HCl,

BCl + NH3 → BN + 3HCl,

 

В зависимости от режимов и условий CVD (насыщенность паров, температура и др.) покрытия имеют различную морфологию: столбчатые (дендридные) структуры, структуры, растущие по механизму эпитаксии, поликристаллические, аморфные и др. (рис. 5.15). При низких температу­рах и высокой степени перенасыщения пара атомы, осаждающиеся на поверхности, имеют небольшую подвижность и формируют аморфное покрытие. При увеличении температуры и уменьшении перенасыщения пара начинают формироваться кристаллические покрытия.

Эпитаксиальная

 

 

Рис. 5.15. Влияние параметров CVD на морфологию покрытия

Состав получаемых по­крытий обеспечивается определенным соотноше­нием реакционных газов. Например, изменяя соот­ношения и условия осажде­ния, можно получать как ТаС, так и Та2С. Условия нанесения покрытия опре­деляют также прочность его сцепления с подложкой. Эффективной и пер­спективной разновидностью CVD является способ химических транспортных реакций, или циркуляционный способ, заключающийся в использовании обратимых химических реакций. Например, чтобы получить алюминие­вое покрытие, в зоне размещения деталей 1 (рис. 5.16) проводят химиче­ские реакции:

3AlCl↔ AlCl3+ 2Аl,

3AlCl2↔ 2AlCl3+ Аl.

 

Образовавшийся атомарный алюминий осаждается на поверхности деталей, формируя покрытие и диффундируя в глубь материала. При прокачивании образовавшегося газообразного А1С1з через зону 4, где на­ходится источник переносимого материала (в данном случае чушковый алюминий), по тем же реакциям, но протекающим справа налево, вновь образуются соединения А1С1 и А1С12:

А1С13 + 2А1« 3А1С1,

2А1С13 + А1« 3А1С12.

 

Рис. 5.16. Схема установки для нанесения покрытий методом транспортных реакций:

1 - детали; 2 - муфельная печь; 3 - испаритель галогенидов; 4 - источник переносимого элемента; 5 - выпуск отработанного газа; 6 - вентилятор; 7 - основание; 8 - стойка

 

 

Для реализации этих процессов обработку ведут в герметичной печи 2. Циркуляцию газов в печи обеспечивает вентилятор б. Установка снабже­на устройством для подъема и поворота печи при загрузке и выгрузке деталей. Первичный газ А1С13 получают посредством испарителя 3. Для нанесения покрытия на внутренние полости лопаток турбины предусмот­рены специальные входные каналы. Выход 5 подсоединен к системе ней­трализации продуктов реакций и вакуумному насосу.

Аналогичным образом можно осуществлять силицирование металлов и сплавов:

2SiCl2 « SiCl4 + Si,

диффузионное хромирование:

CrI2 « Cr +I

и другие процессы. В качестве исходных продуктов используются соли I, Сl, F.

Методом CVD получают керамические и металлокерамические по­крытия, имеющие исключительно мелкозернистую структуру. Такие по­крытия могут использоваться для самых разных целей, в том числе для защиты от эрозии лопаток компрессора, упрочнения режущего и штам-пового инструмента. Основными материалами покрытий являются: TaN, HfN, TiC, HfВ2, ZrB2, BN, ZrN, TiN, TiB2, SiC, B4C и Si3N4.

 








Дата добавления: 2016-03-22; просмотров: 1576;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.01 сек.