RU2678355C1 - METHOD FOR PRODUCING SPRAYABLE COMPOSITE TARGET CONTAINING Co2MnSi HEUSLER ALLOY PHASE - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING SPRAYABLE COMPOSITE TARGET CONTAINING Co2MnSi HEUSLER ALLOY PHASE Download PDFInfo
- Publication number
- RU2678355C1 RU2678355C1 RU2017138710A RU2017138710A RU2678355C1 RU 2678355 C1 RU2678355 C1 RU 2678355C1 RU 2017138710 A RU2017138710 A RU 2017138710A RU 2017138710 A RU2017138710 A RU 2017138710A RU 2678355 C1 RU2678355 C1 RU 2678355C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sintering
- pressing
- mnsi
- powder mixture
- grinding
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B4/00—Electrothermal treatment of ores or metallurgical products for obtaining metals or alloys
- C22B4/06—Alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/07—Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt
-
- H10P95/00—
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geology (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к производству изделий из металлической порошковой смеси электроимпульсным спеканием, касается способа изготовления распыляемой композитной мишени, содержащей фазу сплава Гейслера Co2MnSi, которая может быть использована при производстве микроэлектроники.The invention relates to metallurgy, and in particular to the production of products from a metal powder mixture by electropulse sintering, relates to a method for manufacturing a sprayable composite target containing a phase of a Geisler alloy Co 2 MnSi, which can be used in the production of microelectronics.
Распыление гомогенизированной мишени обеспечивает получение однородных по составу слоев, значение однородности возрастает по мере уменьшения толщины слоя. Пористость мишени оказывает значительное влияние на скорость распыления мишени и, как следствие, на скорость напыления пленки. Чем больше пористость мишени, тем сильнее распыляется мишень, т.е. за меньшее время получиться напылить слой большей толщины, и наоборот. Скорость распыления мишени с низкой пористостью меньше, использование таких мишеней позволяет лучше контролировать толщину слоев, что важно для тонких слоев.Spraying a homogenized target provides layers of uniform composition; the value of uniformity increases with decreasing layer thickness. The porosity of the target has a significant effect on the sputtering speed of the target and, as a consequence, on the deposition rate of the film. The greater the porosity of the target, the more the target is sprayed, i.e. in less time, it is possible to spray a layer of a greater thickness, and vice versa. The sputtering speed of the target with low porosity is lower, the use of such targets allows better control of the thickness of the layers, which is important for thin layers.
Из патента US 7973351 В2, кл. H01L 21/02, опубл. 05.07.2011 г. известна распыляемая мишень Co2MnSi, используемая для формирования кристаллического стехиометрического слоя Гейслера Co2MnSi с целью создания элемента магниторезистивной оперативной памяти (MRAM) и спинового транзистора (spin MOSFET). Однако, в указанном источнике информации отсутствуют сведения о способе изготовления этой мишени.From patent US 7973351 B2, cl. H01L 21/02, publ. 05-07-2011 known sputtering target of Co 2 MnSi, used to form stoichiometric crystalline layer Heusler Co 2 MnSi to create element magnetoresistive RAM (MRAM) and spin transistor (spin MOSFET). However, in the specified source of information there is no information about the method of manufacturing this target.
Из патента US 8070919 В2, кл. В32В 17/06, С23С 14/35, опубл. 06.12.11 г. известна распыляемая мишень, изготовленная из слитка Co2MnSi, полученного методом электродугового спекания стехиометрической смеси порошков Со, Mn и Si. Распыляемая мишень имела состав Со (99,5%, Sigma-Aldrich): Mn (99,98% Sigma-Aldrich): Si (99,95%, Sigma-Aldrich) в соотношении 2:1:1, скорость повышения температуры составляла 50°С/мин. После приготовления слитка Co2MnSi его измельчают в порошок с помощью мокрого размола в шаровой мельнице и затем прессуют с получением распыляемой мишени с размером 2 дюйма.From patent US 8070919 B2, cl. B32B 17/06, C23C 14/35, publ. 12/06/11, a spray target made of a Co 2 MnSi ingot obtained by the method of electric arc sintering of a stoichiometric mixture of Co, Mn, and Si powders is known. The sprayed target had the composition Co (99.5%, Sigma-Aldrich): Mn (99.98% Sigma-Aldrich): Si (99.95%, Sigma-Aldrich) in the ratio 2: 1: 1, the rate of temperature increase was 50 ° C / min. After preparation of the Co 2 MnSi ingot, it is pulverized by wet grinding in a ball mill and then pressed into a 2-inch spray target.
Недостатком указанного способа получения распыляемой мишени состава Co2MnSi является пористость, обусловленная электродуговым спеканием, приводящая к большой эффективной поверхности, ее окислению и адсорбции влаги и летучих загрязнений из воздуха, вероятно, по этой причине авторы патента и не смогли подтвердить отсутствие примесей в мишени. Степень гомогенизации, которую может обеспечить метод электродугового спекания ниже по сравнению с единовременным расплавлением всех порошковых компонент.The disadvantage of this method of obtaining a spray target of composition Co 2 MnSi is porosity due to electric arc sintering, leading to a large effective surface, its oxidation and adsorption of moisture and volatile contaminants from the air, probably for this reason, the authors of the patent could not confirm the absence of impurities in the target. The degree of homogenization that the electric arc sintering method can provide is lower compared to the simultaneous melting of all powder components.
Известен способ получения заготовки катодной мишени с заданным химическим составом и требуемых геометрических размеров (RU 2405062, С23С 14/34, B22F 3/15, B22F 9/10, B22D 7/00, опубл. 27.11.2010 г.). При этом для получения заготовки мишени расплавленный металл заливают в керамическую форму с получением слитка-электрода цилиндрической формы. Затем слиток расплавляют плазмой при вращении с получением сферических гранул диаметром 50-400 мкм. Расчетное количество сферических гранул засыпают в вакууме в капсулу кольцевой формы для образования мишени с полостью. Капсулу заваривают и подвергают горячему изостатическому прессованию, после чего производят разгерметизацию капсулы и осуществляют механическую очистку заготовки путем снятия с нее составных частей капсулы. Катодную мишень выполняют из сплава на основе никеля или на основе кобальта. В результате получают заготовки мишени стабильных геометрических размеров.A known method of producing a blank of a cathode target with a given chemical composition and the required geometric dimensions (RU 2405062, C23C 14/34,
Недостатком указанного способа является загрязнение мишени материалом керамической формы, капсулы. Кроме этого, изостатическое прессование также приводит к получению пористой мишени с недостатками, указанными выше.The disadvantage of this method is the contamination of the target with a ceramic material, capsule. In addition, isostatic pressing also results in a porous target with the drawbacks mentioned above.
Известен способ получения высокоплотных изделий спеканием заготовок из уплотненных нанодисперсных порошков карбида вольфрама методом электроимпульсного плазменного спекания (SPS), который может быть использован, в том числе, для изготовления мишеней для напыления износостойких покрытий экстремально нагружаемых ответственных деталей машин, например коленчатых валов тяжелых бронированных транспортных средств, а также материалов специального назначения с эффектом динамической сверхпрочности (RU 2548252 С2, кл. С04В 35/56, B82Y 40/00, опубл. 20.04.15 г.). Исходный порошок карбида вольфрама с размером частиц не более 110 нм с объемной долей WC не менее 99% подвергают электроимпульсному плазменному спеканию на установке Dr. Sinter Model-625 производства SPS SYNTEX INC. Ltd., (Япония) в условиях его прессования в графитовых пресс-формах при давлении прессования 60-70 МПа в вакууме 4 Па с оптимальной скоростью, выбранной из интервала 25-2400°С/мин при температуре, которую выбирают в зависимости от размера частиц исходного порошка WC. При увеличении скорости нагрева в указанном интервале повышается твердость спекаемой заготовки, при уменьшении ее величины повышается трещиностойкость этой заготовки. Температура спекания может составлять 1550-1800°С.A known method for producing high-density products by sintering billets from compacted nanosized tungsten carbide powders by the method of electric pulse plasma sintering (SPS), which can be used, inter alia, for the manufacture of targets for spraying wear-resistant coatings of extremely loaded critical machine parts, for example crankshafts of heavy armored vehicles , as well as special materials with the effect of dynamic super-strength (RU 2548252 С2, class С04В 35/56, B82Y 40/00, publ. 04.20.15). The initial tungsten carbide powder with a particle size of not more than 110 nm with a volume fraction of WC of not less than 99% is subjected to electropulse plasma sintering using a Dr. Sinter Model-625 manufactured by SPS SYNTEX INC. Ltd., (Japan) under conditions of its pressing in graphite molds at a pressing pressure of 60-70 MPa in a vacuum of 4 Pa with an optimal speed selected from the range of 25-2400 ° C / min at a temperature that is selected depending on the particle size original WC powder. With an increase in the heating rate in the indicated interval, the hardness of the sintered preform increases, while a decrease in its value increases the crack resistance of this preform. The sintering temperature may be 1550-1800 ° C.
Указанный способ не предусматривает изготовление распыляемых мишеней, содержащих фазу сплава Гейслера состава Co2FeSi.The specified method does not provide for the manufacture of sputtering targets containing the phase of the Geisler alloy composition Co 2 FeSi.
Метод электроимпульсного спекания (SPS) - сложный физико-механический процесс, проходящий при высоких температурах в порошковых материалах (рис. 2). При спекании происходит уплотнение порошкового материала, внешне проявляющееся в изменении объема, увеличении плотности и уменьшении пористости. Спекание порошковых материалов происходит путем диффузионного массопереноса вещества под действием внешнего давления и внутренних сил, связанных, в первую очередь, с силами поверхностного натяжения. Диффузия осуществляется по определенным путям, которые определяют механизмы спекания.Electropulse sintering (SPS) is a complex physical and mechanical process that takes place at high temperatures in powder materials (Fig. 2). During sintering, the compaction of the powder material occurs, which externally manifests itself in a change in volume, an increase in density and a decrease in porosity. Sintering of powder materials occurs by diffusion mass transfer of a substance under the action of external pressure and internal forces associated primarily with surface tension forces. Diffusion is carried out in certain ways that determine the sintering mechanisms.
Существует, по крайней мере, шесть различных механизмов спекания в порошковых материалах: поверхностная диффузия, объемная диффузия с поверхности частиц к перемычке, перенос через газовую фазу, зернограничная диффузия, объемная диффузия от границы зерна к поре и пластическая деформация (Roberto Orru, Roberta Licheri, Antonio Mario Locci, Alberto Cincotti, Giacomo Cao. Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering. Materials Science and Engineering R 63, pp. 127-287, 2009 г.).There are at least six different sintering mechanisms in powder materials: surface diffusion, bulk diffusion from the particle surface to the bulkhead, gas phase transfer, grain boundary diffusion, bulk diffusion from the grain boundary to the pore, and plastic deformation (Roberto Orru, Roberta Licheri, Antonio Mario Locci, Alberto Cincotti, Giacomo Cao. Consolidation / synthesis of materials by electric current activated / assisted sintering. Materials Science and Engineering R 63, pp. 127-287, 2009).
Все указанные механизмы приводят к образованию и росту перемычки между частицами, однако только часть из них приводит к усадке и уплотнению порошкового материала. Поверхностная диффузия, объемная диффузия с поверхности частицы к перемычке, перенос через газовую фазу (механизмы 1, 2 и 3, см. фиг. 2) приводят к росту перемычки без уплотнения и называются безуплотнительными механизмами. Зернограничная диффузия и объемная диффузия от границы зерна к поре (механизмы 4 и 5, см. фиг. 2) являются наиболее важными механизмами уплотнения поликристаллических керамик.All these mechanisms lead to the formation and growth of a jumper between the particles, however, only part of them leads to shrinkage and compaction of the powder material. Surface diffusion, volume diffusion from the particle surface to the jumper, transport through the gas phase (
Пластическая деформация, вызванная движением дислокаций (механизм 6, см. фиг. 2), также, приводит к уплотнению (Хрустов В.Р. Разработка и исследование керамик на основе нанопорошков оксидов алюминия, циркония и церия. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Екатеринбург, 2010 г.). На начальном этапе спекания уплотнение вызвано макроскопическими процессами перераспределения частиц порошка в более «плотную упаковку», затем начинается рост перемычек. После появления перемычек между частицами и достижения некоторой плотности, включается диффузия по границам зерен и по объему. Если диффузия по границам зерен идет достаточно интенсивно, то может наблюдаться быстрое уплотнение, однако при интенсивной зернограничной диффузии может включится процесс, оказывающий отрицательное влияние на спекание - рост зерен и аномальный рост. Основные методы изменения свободного объема границ зерен связаны с микролегированием границ атомами примеси и организацией потоков дислокаций на границы (S.W. Wang, L.D. Chen, Т. Hirai, Jingkun Guo. Formation of Al2O3 grains with different sizes and morphologies during the pulse electric current sintering process. J. Mater. Res., Vol. 16, No. 12, December 2001).Plastic deformation caused by the movement of dislocations (
При традиционных способах спекания порошковых материалов (свободное спекание, горячее прессование) скорости нагрева не превышают десятков градусов и не способны обеспечить образования высоких градиентов температур внутри порошка. Следовательно, для управления диффузионной проницаемостью границ зерен необходимо использование новых, высокоскоростных технологий спекания порошковых материалов. Одной из наиболее перспективных технологией высокоскоростного спекания является технология электроимпульсного спекания.With traditional methods of sintering powder materials (free sintering, hot pressing), heating rates do not exceed tens of degrees and are not able to ensure the formation of high temperature gradients inside the powder. Therefore, to control the diffusion permeability of grain boundaries, it is necessary to use new, high-speed sintering technologies for powder materials. One of the most promising high-speed sintering technology is the technology of electropulse sintering.
Метод электроимпульсного спекания относится к ряду высокоэффективных способов спекания порошков, интенсивно развиваемых в настоящее время во многих научных центрах. Широкий диапазон возможностей при электрофизическом воздействии на порошковый материал обуславливает многообразие этих способов, развиваемые в странах СНГ. К ним относятся: электроразрядное спекание (ЭРС) (I.P. Shapiro, R.I. Todd, J.M. Titchmarsh, S.G. Roberts. Effects of Y2O3 additives and powder purity on the densification and grain boundary composition of Al2O3/SiC nanocomposites. Journal of the European Ceramic Society, 29, pp. 1613-1624, 2009); электроимпульсное спекание под давлением (ЭИСД) (А.В. Номоев. Сверхмикротвердость керамики на основе нанодисперсных порошков оксида алюминия с добавками нанопорошков оксида магния и кремния. Письма в ЖТФ, том 36, вып. 21, с. 46-53. 2010 г.); электроимпульсное спекание (J. Wang, S.Y. Lim, S.C. Ng, C.H. Chew, L.M. Gan. Dramatic effect of small amount of MgO addition on the sintering of Al2O3 - 5 vol % SiC nanocomposite. Materials Letters, 33, pp. 273-277, 1998 г.); электроимпульсное прессование (Sheng Guo, Apichart Limpichaipanit, R.I. Todd. High resolution optical microprobe investigation of surface grinding stress in Al2O3 and Al2O3/SiC nanocomposites. Journal of the European Ceramic Society, 31, pp. 97-109, 2011).The method of electropulse sintering is one of a number of highly effective methods for sintering powders, which are currently being intensively developed in many scientific centers. A wide range of possibilities with electrophysical effects on the powder material determines the variety of these methods developed in the CIS countries. These include: electric discharge sintering (EDS) (IP Shapiro, RI Todd, JM Titchmarsh, SG Roberts. Effects of Y2O3 additives and powder purity on the densification and grain boundary composition of Al 2 O 3 / SiC nanocomposites. Journal of the European Ceramic Society, 29, pp. 1613-1624, 2009); Electropulse sintering under pressure (EISD) (A.V. Nomoev. Superhardness of ceramics based on nanosized alumina powders with the addition of nanopowders of magnesium oxide and silicon. Journal of Physics and Technology, Volume 36, Issue 21, pp. 46-53. 2010 ); electropulse sintering (J. Wang, SY Lim, SC Ng, CH Chew, LM Gan. Dramatic effect of small amount of MgO addition on the sintering of Al 2 O 3 - 5 vol% SiC nanocomposite. Materials Letters, 33, pp. 273 -277, 1998); Electropulse pressing (Sheng Guo, Apichart Limpichaipanit, RI Todd. High resolution optical microprobe investigation of surface grinding stress in Al 2 O 3 and Al 2 O 3 / SiC nanocomposites. Journal of the European Ceramic Society, 31, pp. 97-109, 2011).
В дальнем зарубежье к подобным методам относятся: Field assisted sintering technique (FAST), Plasma Assisted Sintering (PAS), Spark Plasma Sintering (SPS), and Electroconsolidation, High Energy High Rate Processing (HEHR), Electric Dis-charge Compaction (EDC) [C.C. Anya, S.G. Roberts. Pressureless sintering and elastic constants of Al2O3 - SiC nanocomposites. Journal of the European Ceramic Society 17, pp. 565-573, 1997] и ряд других.In foreign countries, similar methods include: Field assisted sintering technique (FAST), Plasma Assisted Sintering (PAS), Spark Plasma Sintering (SPS), and Electroconsolidation, High Energy High Rate Processing (HEHR), Electric Dis-charge Compaction (EDC) [CC Anya, SG Roberts. Pressureless sintering and elastic constants of Al 2 O 3 - SiC nanocomposites. Journal of the European Ceramic Society 17, pp. 565-573, 1997] and a number of others.
Задачей изобретения является разработка способа изготовления распыляемой гомогенизированной мишени сплава Гейслера Co2MnSi, обеспечивающего возможность управления ее пористостью.The objective of the invention is to develop a method of manufacturing a sprayed homogenized target of a Geisler alloy Co 2 MnSi, providing the ability to control its porosity.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является получение гомогенизированной, т.е. однородной по составу, механически прочной композитной мишени заданной геометрии (диск толщиной 0,7-1 мм, диаметром 40 мм) и требуемой пористости в диапазоне 2-40%, содержащей исключительно фазу сплава Гейслера стехиометрического состава Co2MnSi.The technical result from the use of the invention is to obtain homogenized, i.e. homogeneous in composition, mechanically strong composite target of a given geometry (a disk 0.7-1 mm thick, 40 mm in diameter) and the required porosity in the range of 2-40%, containing exclusively the phase of the Geisler alloy of stoichiometric composition Co 2 MnSi.
На фиг. 1 представлена технологическая схема способа изготовления распыляемой мишени, содержащей фазу сплава Гейслера Co2MnSi.In FIG. 1 is a flow diagram of a method for manufacturing a sputtering target containing a phase of a Geisler alloy Co 2 MnSi.
На фиг. 2 схематично представлен механизмы спекания-прессования порошковой смеси.In FIG. 2 schematically shows the mechanisms of sintering and pressing of a powder mixture.
На фиг. 3 представлена рентгенограмма слитка, показывающая наличие исключительно искомой фазы, на примере Co2FeSi. Аналогичная была получена и для сплава Co2MnSi.In FIG. Figure 3 presents an x-ray of an ingot showing the presence of the exclusively sought phase, using Co 2 FeSi as an example. A similar one was obtained for the Co 2 MnSi alloy.
На фиг. 4 представлена рентгенограмма мишени, показывающая наличие исключительно искомой фазы, на примере Co2FeSi. Аналогичная была получена и для сплава Co2MnSi.In FIG. Figure 4 presents the x-ray of the target, showing the presence of the exclusively sought phase, using Co 2 FeSi as an example. A similar one was obtained for the Co 2 MnSi alloy.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления распыляемой композитной мишени, содержащей фазу сплава Гейслера Co2MnSi, включающем механическое смешивание порошков компонентов сплава Гейслера Co2MnSi с получением однородной порошковой смеси и ее спекание-прессование, порошковую смесь готовят из высокочистых порошков кобальта, марганца и кремния, при этом спекание-прессование порошковой смеси ведут методом электроимпульсного плазменного спекания при температуре 600°С и минимальном давлении 2,5 кН, путем пропускания последовательностей импульсов постоянного тока до 5 кА с длительностью импульса 3,3 мс через засыпку порошковой смеси с поучением компакта, после чего ведут плавление полученного компакта в кварцевом тигле индукционной печи при 1300°С в течение 3 часов до полного расплавления с получением гомогенизированного слитка сплава Гейслера Co2MnSi, затем полученный слиток дробят и измельчают с получением частиц размером 1-200 мкм и проводят спекание-прессование композитной мишени из полученных частиц методом электроимпульсного плазменного спекания с контролем дилатометрической кривой усадки; спекание-прессование порошковой смеси и спекание-прессование частиц сплава Гейслера Co2MnSi осуществляют в установке электроимпульсного плазменного спекания DR. Sinter Model SPS-625 в графитовой пресс-форме; плавление полученного компакта осуществляют в индукционной печи VTC 200 Indutherm; дробление и измельчение слитка сплава Гейслера Co2MnSi осуществляют в аналитическом просеивающем грохоте Analysette 3 Spartan FRITSCH со следующими параметрами размола: сухой помол, отношение массы размалываемого вещества к массе мелющих тел 1:2 - 1:4, длительность помола от 30 минут до 2 часов, амплитуда колебаний грохота 1,5 мм; проводят селекцию полученных частиц сплава Гейслера Co2MnSi размером 1-200 мкм в узком или широком диапазоне размеров; полученные частицы сплава Гейслера Co2MnSi размером 1-200 мкм перемешивают в планетарной мельнице Pulverisette 6 FRITSCH; после спекания-прессования композитной мишени осуществляют шлифовку.This object is achieved in that in a method for manufacturing a sprayable composite target containing a phase of the Geisler alloy Co 2 MnSi, comprising mechanically mixing the powders of the components of the Geisler alloy Co 2 MnSi to obtain a homogeneous powder mixture and sintering-pressing, the powder mixture is prepared from high-purity cobalt powders, manganese and silicon, while the sintering-pressing of the powder mixture is carried out by the method of electric pulse plasma sintering at a temperature of 600 ° C and a minimum pressure of 2.5 kN, by passing the last of dc pulses up to 5 kA with a pulse duration of 3.3 ms through filling the powder mixture with the formation of a compact, then the resulting compact is melted in a quartz crucible of an induction furnace at 1300 ° C for 3 hours until complete melting to obtain a homogenized ingot of a Heisler alloy Co 2 MnSi, then the obtained ingot is crushed and ground to obtain particles of 1-200 μm in size and sintering and pressing of the composite target from the obtained particles by electro-pulse plasma sintering with control the dilatometric shrinkage curve lem; sintering-pressing of the powder mixture and sintering-pressing of particles of the Geisler alloy Co 2 MnSi is carried out in the installation of electric pulse plasma sintering DR. Sinter Model SPS-625 in a graphite mold; melting the resulting compact is carried out in an
Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом.The invention is carried out as follows.
Сначала осуществляют механическое смешивание высокочистых порошков кобальта (Со), марганца (Mn) и кремния (Si) для получения смеси Co2MnSi. Пропорции компонентов в смеси рассчитывают с учетом массовых долей компонентов. Смешивание производят механическим способом до получения однородной порошковой смеси. Несмотря на тщательность перемешивания порошков, данная технология обеспечивает лишь предварительную, меньшую, чем в случае полного расплавления гомогенизацию.First, mechanical mixing of high-purity powders of cobalt (Co), manganese (Mn) and silicon (Si) is carried out to obtain a mixture of Co 2 MnSi. The proportions of the components in the mixture are calculated taking into account the mass fractions of the components. Mixing is carried out mechanically until a homogeneous powder mixture is obtained. Despite the thorough mixing of the powders, this technology provides only preliminary, less homogenization than in the case of complete melting.
Затем осуществляют спекание-прессование полученной смеси в установке электроимпульсного плазменного спекания DR. Sinter Model SPS-625 при температуре около 600°С с минимальным давлением около 2,5 кН, путем пропускания через порошковую засыпку в графитовой пресс-форме последовательностей импульсов постоянного тока до 5 кА, длительность импульса 3,3 мс. Процесс останавливают при уменьшении объема порошка с целью избегания загрязнения камеры вследствие расплавления компонента с минимальной температурой плавления. Схематически механизмы спекания-прессования порошковой смеси поясняет фиг. 2. При протекании тока через засыпку порошка оксидные пленки на поверхности частиц порошка разрушаются, и порошок спрессовывается в пористую заготовку с достаточной прочностью. Уплотнение порошка осуществляется только силами магнитного поля, а соединение частиц осуществляется в основном из-за оплавления контактов между частицами с образованием межчастичных перешейков. Степень уплотнения порошка зависит от параметров электрической цепи и свойств частиц порошка.Then carry out sintering-pressing of the resulting mixture in the installation of electric pulse plasma sintering DR. Sinter Model SPS-625 at a temperature of about 600 ° C with a minimum pressure of about 2.5 kN, by passing through a powder filling in a graphite mold sequences of direct current pulses up to 5 kA, the pulse duration of 3.3 ms. The process is stopped when the volume of the powder is reduced in order to avoid contamination of the chamber due to the melting of the component with a minimum melting point. Schematically, the sintering and pressing mechanisms of the powder mixture are illustrated in FIG. 2. When current flows through the filling of the powder, the oxide films on the surface of the powder particles are destroyed, and the powder is pressed into a porous preform with sufficient strength. Powder compaction is carried out only by magnetic forces, and the particles are connected mainly due to the fusion of contacts between particles with the formation of interparticle isthmuses. The degree of compaction of the powder depends on the parameters of the electrical circuit and the properties of the powder particles.
В результате получают компакт, который может быть расплавлен в индукционной печи, порошковый материал расплавить бы не удалось. Компакт представляет собой механическую смесь не окисленных порошков, соединенных друг с другом за счет оплавления контактов между частицами с образованием межчастичных перешейков.The result is a compact that can be melted in an induction furnace; powder material could not be melted. A compact is a mechanical mixture of non-oxidized powders, connected to each other due to the fusion of contacts between particles with the formation of interparticle isthmuses.
Для обеспечения полной гомогенизации осуществляют плавление полученного компакта в кварцевом тигле индукционной печи VTC 200, Indutherm при 1300°С в течение 3 часов. В результате происходит расплавление всех компонентов, обеспечивающее полную гомогенизацию слитка, и получение сплава Гейслера стехиометрического состава. Типичная рентгенограмма полученного слитка приведена на фиг. 3.To ensure complete homogenization, the resulting compact is melted in a quartz crucible of the
Для придания сплаву Гейслера требуемой геометрии полученный слиток Co2MnSi (диск толщиной 0,7-1 мм и диаметром 40 мм) дробят и измельчают в аналитической просеивающей машине (вибрационный грохот Analysette 3 Spartan FRITSCH). Размер частиц, распределение частиц по размеру и комбинация частиц с разными размерами в узком или широком диапазоне, наряду с параметрами SPS спекания-прессования, влияет на пористость конечной мишени, которая может меняться в диапазоне 2-40%. Варьируя параметры размола, такие как отношение массы размалываемого вещества к массе мелющих тел, наличие поверхностно-активных жидких сред, длительность и интенсивность помола, получают порошок сплава Гейслера с требуемым/заданным распределением частиц по размерам (1-200 мкм). Для получения требуемой пористости, выбирают и комбинируют порошки определенной дисперсности. В общем случае, чем мельче порошок, тем меньше начальная пористость.To give the Geisler alloy the required geometry, the obtained Co 2 MnSi ingot (a disk with a thickness of 0.7-1 mm and a diameter of 40 mm) is crushed and ground in an analytical sieving machine (
Перемешивают полученные после дробления и селекции порошки, например, в планетарной мельнице Pulverisette 6 FRITSCH.The powders obtained after crushing and selection are mixed, for example, in a
SPS спекание-прессование частиц сплава Гейслера осуществляют в установке электроимпульсного плазменного спекания DR. Sinter Model SPS-625. Используют технологические условия SPS спекания-прессования частиц сплава Гейслера близкие к условиям спекания-прессования исходной порошковой смеси. При этом контролируют дилатометрическую кривую усадки для того, чтобы можно было прервать процесс спекания в нужной точке и получить материал с требуемой пористостью в интервале от 2% до 40%.SPS sintering-pressing of particles of a Geisler alloy is carried out in a DR electropulse plasma sintering plant. Sinter Model SPS-625. Use the SPS technological conditions for sintering and pressing of particles of the Geisler alloy close to the sintering and pressing conditions of the initial powder mixture. In this case, the dilatometric shrinkage curve is controlled so that it is possible to interrupt the sintering process at the desired point and obtain a material with the required porosity in the range from 2% to 40%.
В случае, если требуется утонить мишень, то производят механическую шлифовку.If you want to thin the target, then produce mechanical grinding.
В ходе серии экспериментов были получены гомогенизированные, механически прочные мишени сплавов Гейслера Co2MnSi стехиометрического состава, что подтверждено рентгенографическими данными (фиг. 4). На фоне шума не видно присутствие каких-либо других фаз.In a series of experiments, homogenized, mechanically strong targets of Heusler alloys Co 2 MnSi stoichiometric composition were obtained, which is confirmed by x-ray data (Fig. 4). Against the background of noise, the presence of any other phases is not visible.
Кроме этого, полученные мишени были заданной геометрии; выполнены в виде диска толщиной 0,7-1 мм и диаметром 40 мм, а также обладали требуемой пористостью в диапазоне 2-40%.In addition, the resulting targets were of a given geometry; made in the form of a disk with a thickness of 0.7-1 mm and a diameter of 40 mm, and also had the required porosity in the range of 2-40%.
Малая пористость мишени позволяет осуществлять ее распыление с меньшей скоростью, ведет к меньшей скорости напыления слоя, что может быть полезно для тонких слоев. Большая пористость мишени, наоборот, ведет к большей скорости распыления и обеспечивает напыление толстых слоев за меньшее время.The low porosity of the target allows it to be sprayed at a lower speed, leading to a lower deposition rate of the layer, which may be useful for thin layers. The large porosity of the target, on the contrary, leads to a higher sputtering speed and provides the deposition of thick layers in less time.
Образцы, полученные по описанной технологии, интересны и как эталонные для калибровки аналитических методов определения состава слоев сплавов Гейслера методами РФЭС, Оже, ВИМС и др.Samples obtained using the described technology are also interesting as reference ones for calibrating analytical methods for determining the composition of layers of Geisler alloys by XPS, Auger, SIMS, etc.
Ниже приведены примеры конкретного осуществления предлагаемого способа.The following are examples of specific implementation of the proposed method.
Пример 1.Example 1
1. Механически смешивают порошок кобальта (Со) (99,95%, размер частиц - 40 мкм, 11.64 гр.), марганец (Mn) (99,999%, размер частиц - 40 мкм, 4.86 гр.) и кремния (Si) (99,999%), размер частиц - 40 мкм, 1.53 гр.) из расчета получения 18 гр. смеси порошков Co2MnSi на 1 мишень диаметром 40 мм и толщиной около 0,7 мм. Пропорции компонентов в смеси рассчитывают с учетом массовых долей компонентов. Смешивание производят до получения максимально однородной порошковой смеси.1. Mechanically mix the powder of cobalt (Co) (99.95%,
2. Спекают полученную смесь порошков в установке электроимпульсного плазменного спекания DR. Sinter Model SPS-625 при температуре около 600°С с минимальном усилием около 2,5 кН, путем пропускания последовательностей импульсов постоянного тока до 5 кА, длительность импульса 3,3 мс через порошковую засыпку в графитовой пресс-форме. Процесс останавливают вручную при уменьшении объема порошка с целью избегания загрязнения камеры вследствие расплавления компонента с минимальной температурой плавления. На выходе получают механически прочный компакт, представляющий собой механическую смесь не окисленных порошков кобальта (Со), марганца (Mn) и кремния (Si), соединенных друг с другом за счет оплавления контактов между частицами с образованием межчастичных перешейков.2. The resulting mixture of powders is sintered in an electric pulse plasma sintering apparatus DR. Sinter Model SPS-625 at a temperature of about 600 ° C with a minimum force of about 2.5 kN, by passing sequences of direct current pulses up to 5 kA, a pulse duration of 3.3 ms through a powder filling in a graphite mold. The process is stopped manually when the powder volume is reduced in order to avoid contamination of the chamber due to the melting of the component with a minimum melting point. The output is a mechanically durable compact, which is a mechanical mixture of non-oxidized powders of cobalt (Co), manganese (Mn) and silicon (Si), connected to each other due to the fusion of contacts between particles with the formation of interparticle isthmuses.
3. Расплавляют компакт в кварцевом тигле индукционной печи VTC 200, Indutherm при 1300°С в течение 3 часов. Расплавление всех компонент гарантирует их химическое взаимодействие и получение гомогенизированного сплава Гейслера стехиометрического состава.3. The compact is melted in a quartz crucible of an
4. Дробят и измельчают полученный слиток Co2MnSi в аналитической просеивающей машине - вибрационный грохот Analysette 3 Spartan, FRITSCH до получения порошка. Выбирают следующие параметры размола: сухой помол, отношение массы размалываемого вещества к массе мелющих тел 1:4, длительность помола 2 ч, амплитуда колебаний грохота 1,5 мм. В результате получают порошок с широкой гистограммой распределения частиц по размерам от 1 до 50 мкм, что обеспечивает начальную пористость 40%4. The resulting Co 2 MnSi ingot is crushed and ground in an analytical sieving machine — the
5. Спекают частицы сплава Гейслера размером от 1 до 50 мкм в SPS-625 в пресс-форме диаметром 40 мм. Останавливаем процесс спекания-прессования при достижении пористости спекаемого компакта в 10%.5. Sinter particles of Heisler alloy from 1 to 50 microns in size in SPS-625 in a mold with a diameter of 40 mm. We stop the sintering-pressing process when the porosity of the sintering compact reaches 10%.
6. Производят механическую шлифовку, если требуется утонить мишень.6. Perform mechanical grinding, if you want to thin the target.
В результате получают гомогенизированную мишень требуемой механической прочности (достаточной чтобы не повредить мишень в процессе напыления), геометрии (диаметр - 40 мм, толщина - 0,7 мм), фазового состава Co2MnSi и низкой пористости 10%.The result is a homogenized target of the required mechanical strength (sufficient so as not to damage the target during the deposition process), geometry (diameter - 40 mm, thickness - 0.7 mm), phase composition of Co 2 MnSi and low porosity of 10%.
Пример 2.Example 2
1. Механически смешивают порошок кобальта (Со) (99,95%, размер частиц - 40 мкм, 11.64 гр.), марганец (Mn) (99,999%, размер частиц - 40 мкм, 4.86 гр.) и кремния (Si) (99,999%, размер частиц - 40 мкм, 1.53 гр.) из расчета получения 18 гр смеси порошков Co2MnSi на 1 мишень диаметром 40 мм и толщиной около 0,7 мм. Пропорции компонентов в смеси рассчитывают с учетом массовых долей компонентов. Смешивание производят до получения максимально однородной порошковой смеси.1. Mechanically mix the powder of cobalt (Co) (99.95%,
2. Спекают полученную смесь порошков в установке электроимпульсного плазменного спекания DR. Sinter Model SPS-625 при температуре около 600°С, минимальном давлении около 2,5 кН, путем пропускания последовательностей импульсов постоянного тока до 5 кА, длительность импульса 3,3 мс через порошковую засыпку в графитовой пресс-форме. Процесс останавливают вручную при уменьшении объема порошка с целью избегания загрязнения камеры вследствие расплавления компонента с минимальной температурой плавления. На выходе получают механически прочный компакт, представляющий собой механическую смесь не окисленных порошков кобальта (Со), марганца (Mn) и кремния (Si), соединенных друг с другом за счет оплавления контактов между частицами с образованием межчастичных перешейков.2. The resulting mixture of powders is sintered in an electric pulse plasma sintering apparatus DR. Sinter Model SPS-625 at a temperature of about 600 ° C, a minimum pressure of about 2.5 kN, by passing sequences of direct current pulses up to 5 kA, a pulse duration of 3.3 ms through a powder filling in a graphite mold. The process is stopped manually when the powder volume is reduced in order to avoid contamination of the chamber due to the melting of the component with a minimum melting point. The output is a mechanically durable compact, which is a mechanical mixture of non-oxidized powders of cobalt (Co), manganese (Mn) and silicon (Si), connected to each other due to the fusion of contacts between particles with the formation of interparticle isthmuses.
3. Расплавляют компакт в кварцевом тигле индукционной печи VTC 200, Indutherm при 1300°С в течение 3 часов. Расплавление всех компонент гарантирует их химическое взаимодействие и получение гомогенизированного сплава Гейслера стехиометрического состава.3. The compact is melted in a quartz crucible of an
4. Дробят и измельчают полученный слиток Co2MnSi в аналитической просеивающей машине - вибрационный грохот Analysette 3 Spartan, FRITSCH до получения порошка. Выбирают следующие параметры размола: сухой помол, отношение массы размалываемого вещества к массе мелющих тел 1:2, длительность помола 30 мин, амплитуда колебаний грохота 1,5 мм. В результате получают порошок с широкой гистограммой распределения частиц по размерам от 1 до 200 мкм.4. The resulting Co 2 MnSi ingot is crushed and ground in an analytical sieving machine — the
5. При помощи аналитических сит отделяют порошок с узкой гистограммой распределения частиц по размерам (150-200 мкм), что обеспечивает начальную пористость около 45%.5. Using analytical sieves, the powder is separated with a narrow histogram of the particle size distribution (150-200 μm), which provides an initial porosity of about 45%.
6. Спекают частицы сплава Гейслера размером от 150 до 200 мкм в SPS-625 в пресс-форме диаметром 40 мм. Останавливаем процесс спекания-прессования при достижении пористости спекаемого компакта в 40%.6. Sinter particles of a Geisler alloy ranging in size from 150 to 200 microns in SPS-625 in a mold with a diameter of 40 mm. We stop the sintering-pressing process when the porosity of the sintering compact reaches 40%.
7. Производят механическую шлифовку, если требуется утонить мишень.7. Perform mechanical grinding if it is required to thin the target.
В результате получают гомогенизированную мишень требуемой механической прочности (достаточной чтобы не повредить мишень в процессе напыления), геометрии (диаметр - 40 мм, толщина - 1 мм), фазового состава Co2MnSi и высокой пористости 40%.The result is a homogenized target of the required mechanical strength (sufficient so as not to damage the target during the deposition process), geometry (diameter - 40 mm, thickness - 1 mm), phase composition of Co 2 MnSi and high porosity of 40%.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138710A RU2678355C1 (en) | 2017-11-07 | 2017-11-07 | METHOD FOR PRODUCING SPRAYABLE COMPOSITE TARGET CONTAINING Co2MnSi HEUSLER ALLOY PHASE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138710A RU2678355C1 (en) | 2017-11-07 | 2017-11-07 | METHOD FOR PRODUCING SPRAYABLE COMPOSITE TARGET CONTAINING Co2MnSi HEUSLER ALLOY PHASE |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016150967A Division RU2637845C1 (en) | 2016-12-26 | 2016-12-26 | METHOD FOR PRODUCING SPUTTERING COMPOSITE TARGET CONTAINING HEUSLER ALLOY PHASE OF CO2FeSi |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2678355C1 true RU2678355C1 (en) | 2019-01-28 |
Family
ID=65273399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017138710A RU2678355C1 (en) | 2017-11-07 | 2017-11-07 | METHOD FOR PRODUCING SPRAYABLE COMPOSITE TARGET CONTAINING Co2MnSi HEUSLER ALLOY PHASE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2678355C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112091228A (en) * | 2020-09-23 | 2020-12-18 | 矿冶科技集团有限公司 | A kind of preparation method of large particle spherical tungsten powder |
| RU2756083C1 (en) * | 2020-10-06 | 2021-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук | METHOD FOR PRODUCING INTERMETALLIC HEUSLER ALLOYS BASED ON THE Ti-Al-Me SYSTEM |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7973351B2 (en) * | 2008-09-25 | 2011-07-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Stack having Heusler alloy, magnetoresistive element and spin transistor using the stack, and method of manufacturing the same |
| US8070919B2 (en) * | 2007-07-16 | 2011-12-06 | Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) | Method for preparing one dimensional spin photonic crystal device and one dimensional spin photonic crystal device prepared by the same |
| UA92108U (en) * | 2014-03-26 | 2014-07-25 | Інститут Металофізики Ім. Г.В. Курдюмова Національної Академії Наук України | METHOD FOR PRODUCING nanostructured thermoelectric semiconductor alloy |
-
2017
- 2017-11-07 RU RU2017138710A patent/RU2678355C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8070919B2 (en) * | 2007-07-16 | 2011-12-06 | Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) | Method for preparing one dimensional spin photonic crystal device and one dimensional spin photonic crystal device prepared by the same |
| US7973351B2 (en) * | 2008-09-25 | 2011-07-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Stack having Heusler alloy, magnetoresistive element and spin transistor using the stack, and method of manufacturing the same |
| UA92108U (en) * | 2014-03-26 | 2014-07-25 | Інститут Металофізики Ім. Г.В. Курдюмова Національної Академії Наук України | METHOD FOR PRODUCING nanostructured thermoelectric semiconductor alloy |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112091228A (en) * | 2020-09-23 | 2020-12-18 | 矿冶科技集团有限公司 | A kind of preparation method of large particle spherical tungsten powder |
| RU2756083C1 (en) * | 2020-10-06 | 2021-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук | METHOD FOR PRODUCING INTERMETALLIC HEUSLER ALLOYS BASED ON THE Ti-Al-Me SYSTEM |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100689597B1 (en) | Iron silicide sputtering target and manufacturing method | |
| JP2005533182A (en) | Method for producing sputtering target doped with boron / carbon / nitrogen / oxygen / silicon | |
| US10644230B2 (en) | Magnetic material sputtering target and method for producing same | |
| US20120318669A1 (en) | Sputtering target-backing plate assembly | |
| CN104032270A (en) | Large-sized ruthenium-based alloy sputtering target and preparation method thereof | |
| CN1671881A (en) | High-PTF sputtering targets and method of manufacturing | |
| JP5877517B2 (en) | Sputtering target for rare earth magnet and manufacturing method thereof | |
| KR102694011B1 (en) | sputtering target | |
| WO1995004167A1 (en) | High melting point metallic silicide target and method for producing the same, high melting point metallic silicide film and semiconductor device | |
| TW201726954A (en) | Sputter target | |
| RU2678355C1 (en) | METHOD FOR PRODUCING SPRAYABLE COMPOSITE TARGET CONTAINING Co2MnSi HEUSLER ALLOY PHASE | |
| TWI387661B (en) | Manufacturing method of nickel alloy target | |
| CN104968828A (en) | Cu-ga-in-na target | |
| KR102883192B1 (en) | Method for manufacturing sputtering target material | |
| KR101955746B1 (en) | Sputtering target and method for producing same | |
| RU2637845C1 (en) | METHOD FOR PRODUCING SPUTTERING COMPOSITE TARGET CONTAINING HEUSLER ALLOY PHASE OF CO2FeSi | |
| RU2678354C1 (en) | METHOD FOR PRODUCING SPRAYABLE COMPOSITE TARGET FROM Co2MnSi HEUSLER ALLOY | |
| WO2021241522A1 (en) | METAL-Si BASED POWDER, METHOD FOR PRODUCING SAME, METAL-Si BASED SINTERED BODY, SPUTTERING TARGET, AND METAL-Si BASED THIN FILM MANUFACTURING METHOD | |
| TW201609552A (en) | Sintered oxide | |
| JP2017057477A (en) | CoFeB alloy target material | |
| RU2644223C1 (en) | METHOD FOR MAKING SPRAY COMPOSITE TARGET FROM HEUSLER ALLOY Co2FeSi | |
| JPWO1995004167A1 (en) | Refractory metal silicide target, manufacturing method thereof, refractory metal silicide thin film and semiconductor device | |
| JP3997527B2 (en) | Method for producing Ru-Al intermetallic compound target, Ru-Al intermetallic compound target, and magnetic recording medium | |
| Demidov et al. | Manufacturing of sputtering composite targets containing phases of Co2FeSi or Co2MnSi Heusler alloy | |
| JP6520523B2 (en) | Oxide sintered body, method for producing the same, and sputtering target |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191227 |