СПОСОБ СИНТЕЗА ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Изобретение относится к области получения интерметаллических соединений, например сверхпроводящих, используемых в электротехнической, радиотехнической, медицинской и других отраслях промышленности.

Интерметаллические соединения в настоящее время получают, как правило, приведением в контакт между собой твердых металлов с последующим их расплавлением или контактированием жидких металлов в течение определенного времени, в результате которого происходит образование соединения. Примером является образование соединений AgZn₃, AuZn и AuZn₃ при рафинировании чернового свинца от серебра и золота вмешиванием цинка в расплав и взаимодействием его с благородными металлами, растворенными в свинце (М.П. Смирнов. Рафинирование свинца и переработка полупродуктов. - М.: Металлургия, 1974, с.145, 151). Такой способ сопряжен со значительными трудностями при получении интерметаллических соединений металлов, весьма различающимися как температурой плавления (ванадий, ниобий тантал, с одной стороны, и свинец, олово, алюминий и др. - с другой), так и давлением пара -летучестью.

Известен способ синтеза интерметаллических соединений (Н. Holleck, H. Novotny, F. Benesovsky. Intermetallsche Phasen mit β-Wolfram-Struktur (V₃Pb, Nb₃Pb und V₃Cd). Monatshefte fur Chemie, 1963, В.94, s.474), включающий смешение порошка ниобия и тонкой проволоки из свинца, прессование и термообработку при температуре 1500^oС и давлении 200 атм и последующую гомогенизацию соединения при 1100^oС. Недостатком способа является необходимость поддержания весьма высокой температуры и давления для синтеза соединения и предотвращения возможного испарения одного из компонентов соединения - свинца.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ синтеза интерметаллического соединения Nb₃Sn (Угольникова Т.А., Моисеев А.И. Температурные условия осаждения Nb₃Sn из газовой фазы. Сверхпроводящие сплавы и соединения. Труды VI Всесоюзного совещания по проблеме сверхпроводящих материалов. - М. : Наука, 1972, с.48-54) совместным осаждением восстановленных из хлоридов металлов на подложку при 780^oС с непосредственным получением интерметаллида Nb_зSn.Способ также отличает высокая температура протекания реакции образования интерметаллида.

Технический результат изобретения заключается в понижении температуры синтеза интерметаллических соединений.

Технический результат достигается в способе синтеза интерметаллических соединений, например сверхпроводящих, включающем совместное осаждение металлов на подложку, в котором совместное осаждение металлов ведут путем ионно-плазменного распыления мишеней из исходных металлов с получением пересыщенного твердого раствора металлов и его последующей термообработкой. На поверхности пересыщенного твердого раствора металлов перед термообработкой формируют слой, препятствующий испарению металлов при термообработке. Слой, препятствующий испарению металлов при термообработке, формируют путем дополнительного ионно-плазменного реакционного распыления металлов с последующим осаждением соединений.

Суть изобретения заключается в следующем.

Проведение синтеза интерметаллических соединений из пересыщенного твердого раствора позволяет значительно снизить пороговую температуру образования интерметаллида из-за атомных размеров и упорядоченного распределения одного металла в другом, готовых для протекания реакции синтеза. Совместное осаждение распыленных ионно-плазменным способом металлов в виде частиц малого размера обеспечивает такое распределение. Кроме того, внутреннее напряжение кристаллической решетки твердого раствора составляет весьма значительную величину, что также способствует достижению технического результата.

В связи с тем что часто давление пара металлов, составляющих интерметаллид, при температурах термообработки достаточно велико, возможен процесс испарения этого металла и обеднение исходной смеси металлов. Последнее ухудшает фазообразование синтезируемого соединения. Поэтому предпочтительно покрытие поверхности твердого раствора слоем, препятствующим испарению металлов, что позволяет улучшить условия протекания синтеза.

Ионно-плазменное распыление металлов и последующее их осаждение является наиболее целесообразным и позволяет сформировать собственно твердый раствор, как таковой, при низких температурах без возможного образования промежуточных фаз и соединений, тормозящих реакцию синтеза.

Реакционное ионно-плазменное распыление металлов и последующее осаждение соединений позволяет сформировать слой, препятствующий испарению металлов, из соединений, например оксида, имеющих малую величину давления пара и не испаряющихся при термообработке.

Способ применен при синтезе интерметаллических соединений Nb₃Sn, Nb₃Al, Nb₃Pb и других. Порядок операций, условия синтеза и результаты его приведены в примерах. Во всех случаях при формировании твердого раствора в качестве плазмообразующего газа использован аргон, подвергнутый очистке от примесей с использованием геттера - распыленного титана.

Пример 1. При синтезе Nb₃Sn ионно-плазменным распылением мишеней из ниобия и олова и последующим совместным осаждением распыленных металлов на подложке из поликора (Аl₂O₃) сформирован пересыщенный твердый раствор олова в ниобии, содержащий 27,51 ат.% олова, с параметром решетки а=0,5295 нм. Пересыщенный твердый раствор подвергнут термообработке при 600^oС и давлении (1-5)•10^-4 Па в течение 60 мин. Синтезировано интерметаллическое соединение Nb₃Sn с параметром решетки a=0,5280 нм. Других фаз по данным рентгеноструктурного анализа не обнаружено. Температура синтеза данного соединения существующими способами составляет 700-800^oС.

Пример 2. При синтезе Nb₃Al ионно-плазменным распылением мишеней из ниобия и алюминия и последующим совместным осаждением распыленных металлов на подложке из поликора (Аl₂О₃) сформирован пересыщенный твердый раствор алюминия в ниобии, содержащий 32,80 ат.% алюминия, с параметром решетки а= 0,3265 нм. Пересыщенный твердый раствор подвергнут термообработке при 700^oС и давлении (1-5)•10^-4 Па в течение 60 мин. Синтезировано интерметаллическое соединение Nb₃Al с параметром решетки a=0,5153 нм. Других фаз по данным рентгеноструктурного анализа не обнаружено. Температура синтеза данного соединения диффузионным способом составляет более 900^oС, из расплава - около 1900^oС.

Пример 3. При синтезе Nb₃Pb ионно-плазменным распылением мишеней из ниобия и свинца и последующим совместным осаждением распыленных металлов на подложке из поликора (Аl₂О₃) сформирован пересыщенный твердый раствор свинца в ниобии, содержащий 22,72 ат.% свинца, с параметром решетки а=0,3362 нм. На поверхности пересыщенного твердого раствора ионно-плазменным реакционным распылением алюминия в плазмообразующем газе, содержащем аргон и 20 об.% кислорода, сформировано покрытие из корунда (Аl₂О₃) толщиной 1,2 мкм, препятствующее испарению свинца из раствора при термообработке и низком давлении. Пересыщенный твердый раствор с покрытием подвергнут термообработке при 1150^oС и давлении (1-5)(10^-3 Па в течение 60 мин. Синтезировано интерметаллическое соединение Nb₃Рb с параметром решетки а=0,5953 нм, выход которого составил 70%. По данным рентгеноструктурного анализа в синтезированном продукте присутствует до 30% твердого раствора с параметром решетки a=0,3270 нм. По способу сплавлением, изложенному в [Н. Holleck, H.Novotny, F. Benesovsky. Intermetallsche Phasen mit β-Wolfram-Struktur (V₃Рb, Nb₃Рb und V₃Сd). Monatshefte far Chemie, 1963, В.94, s.474], температура синтеза составляет 1500^oС, а содержание Nb₃Рb в синтезированном продукте около 10%.

Таким образом, приведенные примеры реализации способа и результаты, полученные в них, свидетельствуют о значительном снижении температуры синтеза интерметаллических соединений.