Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене
Исследован процесс аномально быстрого образования и роста силицидов молибдена при активированном диффузионном насыщении. Предложен механизм регулирования тепловыделения в реакционной зоне. Рассмотрены случаи примесного и беспримесного инициирования процесса. Досліджено процес аномально швидкого утво...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2001 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2001
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78263 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене / С.В. Литовченко, Е.П. Нечипоренко, В.А. Чишкала, В.И. Шеремет, Б.М. Широков // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 4. — С. 108-110. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859833906984910848 |
|---|---|
| author | Литовченко, С.В. Нечипоренко, Е.П. Чишкала, В.А. Шеремет, В.И. Широков, Б.М. |
| author_facet | Литовченко, С.В. Нечипоренко, Е.П. Чишкала, В.А. Шеремет, В.И. Широков, Б.М. |
| citation_txt | Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене / С.В. Литовченко, Е.П. Нечипоренко, В.А. Чишкала, В.И. Шеремет, Б.М. Широков // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 4. — С. 108-110. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Исследован процесс аномально быстрого образования и роста силицидов молибдена при активированном диффузионном насыщении. Предложен механизм регулирования тепловыделения в реакционной зоне. Рассмотрены случаи примесного и беспримесного инициирования процесса.
Досліджено процес аномально швидкого утворення та зростання силіцидів молібдену під час активованого дифузійного насичення. Запропоновано механізм регулювання тепловиділення в реакційній зоні. Розглянуто випадки домішкового та бездомішкового ініціювання процесу.
The process of molybdenum silicides anomalous rapid forming and growth was studied. The heat emission control mechanism in reactionary zone was offered. The cases of initiation process by doping of admixtures and without them were considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:33:51Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК533.9
УСКОРЕННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СИЛИЦИДНЫХ СЛОЕВ
НА МОЛИБДЕНЕ
С. В. Литовченко, Е. П. Нечипоренко, В. А. Чишкала,
Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина,
В.И.Шеремет*, Б.М.Широков
ННЦ ХФТИ, г. Харьков,Украина
Досліджено процес аномально швидкого утворення та зростання силіцидів молібдену під час активованого
дифузійного насичення. Запропоновано механізм регулювання тепловиділення в реакційній зоні. Розглянуто випадки
домішкового та бездомішкового ініціювання процесу.
Исследован процесс аномально быстрого образования и роста силицидов молибдена при активированном
диффузионном насыщении. Предложен механизм регулирования тепловыделения в реакционной зоне. Рассмотрены
случаи примесного и беспримесного инициирования процесса.
The process of molybdenum silicides anomalous rapid forming and growth was studied. The heat emission control
mechanism in reactionary zone was offered. The cases of initiation process by doping of admixtures and without them were
considered.
Используемые в настоящее время способы фор-
мирования силицидных покрытий на тугоплавких
металлах весьма разнообразны как по физико-хими-
ческим процессам и аппаратурному оформлению,
так и по технологическим аспектам, в частности, по
скорости образования силицидов [1]. Одним из наи-
более простых способов создания силицидных по-
крытий является диффузионное насыщение в по-
рошковых средах [2]. Существенный недостаток
данного способа - возможное разрушение образцов
вследствие неконтролируемого возникновения так
называемой "аномально быстрой диффузии". Заме-
чено это явление было достаточно давно, однако
фактические экспериментальные данные для его
объяснения практически отсутствуют.
Рис.1. Типичный вид силицидного покрытия на мо-
либдене. МИМ-8, × 120
Явление ускоренного роста силицидов молибде-
на исследовалось при активированном диффузион-
ном силицировании пруткового молибдена, химико-
термическую обработку которого проводили в гер-
метически закрытом корундовом контейнере при
температуре около 1470 К в течение 20 ч [3].
Обычно при силицировании в таком режиме по-
лучается покрытие из MoSi2 толщиной до 200 мкм,
имеющее столбчатую структуру (рис.1).
Однако в некоторых случаях наблюдалось пол-
ное превращение металлических образцов в силици-
ды молибдена. При этом происходило более чем
троекратное увеличение объема образцов, причем за
короткое время. Металлографический анализ пока-
зал, что плотная столбчатая структура внешней зоны
толщиной 100…200 мкм скачком меняется на равно-
осную с большим количеством сквозных пор (рис.2).
Рис.2. Разрушение образца в результате аномально
быстрого роста силицидного покрытия на молиб-
дене, × 4
Скорость роста силицидов в таких случаях была
соизмерима со скоростями, присущими жидкофазно-
му силицированию. Можно предположить, что ин-
тенсификация процесса силицирования вызывается
возникновением в некоторый момент в зоне между
силицидным слоем и молибденом жидкой прослой-
ки. Это привело бы к резкому увеличению транспор-
тирования кремния к подложке.
Отличие от известных механизмов жидкофазного
силицирования состоит в том, что жидкая фаза, ве-
роятно, узко локализована в зоне реакции и продви-
________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №4.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (80), с.108-110.
108
гается внутрь образца в процессе силицирования.
При этом доставка кремния в жидкую фазу не лими-
тируется растущим слоем, а осуществляется через
поры и трещины в нем.
В известных способах жидкофазного силициро-
вания образование жидкой фазы в системе обычно
вызывается введением в насыщающую смесь легко-
плавких добавок. Жидкометаллические прослойки,
образующиеся при этом между зернами растущего
силицида, обеспечивают проникновение кремния к
реакционной поверхности со скоростью, почти не
зависящей от толщины слоя. Иногда, однако, наблю-
даются факты аномально быстрого роста силицидов
без наличия заметного количества примесей,
способных образовать в насыщающей среде жидкую
фазу.
Известно, что реакция образования дисилицида
молибдена экзотермическая [4]. Для поддержания
заметного тепловыделения при этой реакции необ-
ходимо обеспечить непрерывный и достаточный до-
ступ кремния к молибдену. При использованном в
работе парофазном силицировании в порошковой
среде доступ кремния к молибдену лимитируется
растущим сплошным слоем дисилицида. Если бы
этот слой мог свободно пропускать через себя крем-
ниевую компоненту, то его рост существенно уско-
рился и происходил бы с выделением заметного ко-
личества тепла. При этом в зависимости от условий
насыщения скорость тепловыделения может быть
либо меньше скорости теплового рассеяния, либо
больше её.
Ясно, что во втором случае при достаточном по-
ступлении кремния начнётся саморазогрев зоны ре-
акции. Величина локального перегрева будет опре-
деляться степенью теплового экранирования зоны от
окружающей среды, зависящей от толщины уже
имеющегося силицидного слоя, а также от потока
кремния в зону реакции. Вполне вероятно, что при
определённых сочетаниях этих факторов возможно
значительное локальное повышение температуры.
Если в объеме примеси отсутствуют, то темпера-
тура, необходимая для возникновения жидкой про-
слойки в зоне реакции, определяется диаграммой
состояния системы кремний - молибден. В этой сис-
теме существуют три соединения: дисилицид мо-
либдена MoSi2, низшие силициды молибдена
Mo5Si3, Mo3Si [4]. В системе реализуются три эвтек-
тики: Mo5Si3 - Mo3Si при 2293 К, MoSi2 - Mo5Si3 при
2173 К, MoSi2 - Si при 1673 К. Силицид Mo3Si обра-
зуется при (2298 ± 20) К по перитектической реак-
ции. Температура плавления Mo5Si3 равна 2453 К, а
дисилицида молибдена 2293 К. Последовательность
зарождения и роста силицидов молибдена во многом
определяются технологическими параметрами об-
работки, в первую очередь составом насыщающей
среды и температурой отжига.
Известно, что при диффузионном росте дисили-
цидного покрытия на молибдене между фазами Mo
и MoSi2 имеются прослойки низших силицидов
Mo5Si3 и Mo3Si, толщины которых зависят от режима
силицирования.
Если в силу каких-либо причин в зоне реакции
образуется жидкая фаза, то в условиях избытка
кремния в среде произойдёт насыщение жидкости
эвтектического состава кремнием до состава MoSi2 и
затвердевание этой фазы на заднем фронте жидкой
зоны. Поскольку образование быстро растущего си-
лицидного слоя происходит со значительным увели-
чением объема, в нем наблюдается большое количе-
ство сквозных пор и трещин.
Таким образом, находясь в динамическом равно-
весии, тонкая прослойка жидкости будет продви-
гаться внутрь образца, оставляя за собой легко про-
ницаемый для кремния пористый слой MoSi2. При
этом абсолютное количество тепла, выделяющееся в
контейнере, остаётся небольшим, так как масса ве-
щества, находящегося при высокой температуре, не-
велика по сравнению с общей массой образцов. В
пользу высказанных соображений говорит также то,
что ни в одном случае не зафиксировано плавление
кремния в насыщающей смеси, т. е. общая темпера-
тура в контейнере не превышала 1683 K.
Изучение образцов показало, что ускоренный
рост силицидного слоя может быть локализован в
небольших областях (рис.3). Однако чаще всего он
распространялся на значительные расстояния или
даже на весь образец. Это говорит о том, что если
даже начало реакции было инициировано некоторой
случайно попавшей в зону реакции примесью, то в
дальнейшем реакция образования MoSi2 шла само-
стоятельно.
Рис.3. Участки аномально быстрого
роста силицида, × 3
Чтобы проверить это предположение, были про-
ведены эксперименты по управляемому иницииро-
ванию ускоренного роста силицида. При этом было
выяснено, что условия "зажигания" реакции с помо-
щью малого количества локализованной примеси в
случае объёмного образца (6 мм пруток молибдена)
зависят от степени пористости затвердевающего
MoSi2 и не всегда воспроизводятся. Для того, чтобы
облегчить проникновение кремния в жидкую зону,
образец изготовили в виде диска из предварительно
просилицированной молибденовой фольги толщи-
ной 100 мкм. При повторном силицировании такого
"двумерного" образца в присутствии локализован-
ной медной примеси (1 мг) кремний из насыщаю-
________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №4.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (80), с.108-110.
109
щей среды проникал непосредственно в жидкую
зону реакции, а не через пористый продукт реакции
как в случае объемного образца.
Образовавшийся в результате инициированной
реакции силицид (рис. 4) имел толщину, приблизи-
тельно равную толщине исходной фольги и концен-
трично гофрированную поверхность с центром в ме-
сте контакта фольги с медной примесью.
Такой вид поверхности обусловлен увеличением
удельного объема при образовании дисилицида мо-
либдена. В условиях, когда движение просилициро-
ванной насквозь части образца было ограничено по
диаметру материалом контейнера, а вверху и внизу -
уплотняющимся порошком кремния, увеличение
объема приводило к образованию складок в виде
концентрического гофра.
Рис.4. Рост силицида, инициированный локализован-
ной медной примесью, × 1,5
Очевидно, что для того, чтобы получился такой
гофр, образующийся MoSi2 должен быть достаточно
пластичным, так что этот факт может служить до-
полнительным доказательством существования разо-
гретой локализованной зоны реакции.
Для исследования возможности беспримесного
возбуждения реакции был поставлен эксперимент
по "зажиганию" реакции с помощью дополнитель-
ного локального нагрева молибденового образца не-
посредственно в ходе силицирования. Образец спе-
циальной формы из молибденовой фольги с пере-
мычкой силицировался при температуре 1623 К. Ре-
акция образования силицида инициировалась про-
пусканием электрического тока через образец. По-
сле переплавления перемычки реакция продолжа-
лась самостоятельно.
Для непосредственной оценки тепловыделения в
зоне реакции были проведены эксперименты по из-
мерению термоЭДС системы Mo-MoSi2 во время
прохождения реакции. Полученные значения термо-
ЭДС указывают на то, что температура в зоне реак-
ции на сотни градусов превышала температуру
контейнера. Точное определение температуры яв-
ляется предметом самостоятельного исследования.
Применение метода ускоренного нанесения си-
лицидных слоев может позволить существенно по-
высить сплошность покрытия "замораживанием"
жидкой зоны. Если во время прохождения реакции
охладить образец, предварительно уменьшив поток
кремния в зону реакции, то жидкая зона, застывая,
образует плотную сплошную мелкозернистую про-
слойку между молибденом и пористым дисилицид-
ным слоем. Эта прослойка состоит в основном из
Mo5Si3 и может служить независимо от наличия
верхнего пористого дисилицидного слоя основой
для создания качественных защитных покрытий [5].
ЛИТЕРАТУРА
1.Химико-термическая обработка металлов и спла-
вов / Под ред. Л. С.Ляховича. М.: «Металлургия»,
1981, 420 с.
2.Е.П.Нечипоренко, А.П. Петриченко, Ю.Б. Павлен-
ко. Защита металлов от коррозии. Харьков: «Вища
школа», 1985, 112 с.
3.Е.П.Нечипоренко, А.П. Петриченко, Ю.Б. Павлен-
ко и др. Исследование активированного силицирова-
ния молиб-дена с применением метода масс-спек-
трометрии //Высокотемпературные физикохимиче-
ские процессы на границе раздела твердое тело -
газ. М.: «Наука», 1984, с. 111-113.
4.Г.В.Самсонов, Л.А. Дворина, Б.М. Рудь.
Силициды. М.: «Металлургия», 1979, 271 с.
5.Е.П.Нечипоренко, С.В. Литовченко, Ю.Б. Павлен-
ко, В.А.Чишкала. Формирование эвтектических си-
лицидных покрытий на молибдене //Порошковая ме-
таллургия. Киев, 1993, № 9-10, с. 43-46.
________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №4.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (80), с.108-110.
110
УСКОРЕННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СИЛИЦИДНЫХ СЛОЕВ
НА МОЛИБДЕНЕ
ЛИТЕРАТУРА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78263 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:33:51Z |
| publishDate | 2001 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Литовченко, С.В. Нечипоренко, Е.П. Чишкала, В.А. Шеремет, В.И. Широков, Б.М. 2015-03-13T16:58:42Z 2015-03-13T16:58:42Z 2001 Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене / С.В. Литовченко, Е.П. Нечипоренко, В.А. Чишкала, В.И. Шеремет, Б.М. Широков // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 4. — С. 108-110. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78263 533.9 Исследован процесс аномально быстрого образования и роста силицидов молибдена при активированном диффузионном насыщении. Предложен механизм регулирования тепловыделения в реакционной зоне. Рассмотрены случаи примесного и беспримесного инициирования процесса. Досліджено процес аномально швидкого утворення та зростання силіцидів молібдену під час активованого дифузійного насичення. Запропоновано механізм регулювання тепловиділення в реакційній зоні. Розглянуто випадки домішкового та бездомішкового ініціювання процесу. The process of molybdenum silicides anomalous rapid forming and growth was studied. The heat emission control mechanism in reactionary zone was offered. The cases of initiation process by doping of admixtures and without them were considered. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене Article published earlier |
| spellingShingle | Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене Литовченко, С.В. Нечипоренко, Е.П. Чишкала, В.А. Шеремет, В.И. Широков, Б.М. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| title | Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене |
| title_full | Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене |
| title_fullStr | Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене |
| title_full_unstemmed | Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене |
| title_short | Ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене |
| title_sort | ускоренное формирование силицидных слоев на молибдене |
| topic | Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| topic_facet | Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78263 |
| work_keys_str_mv | AT litovčenkosv uskorennoeformirovaniesilicidnyhsloevnamolibdene AT nečiporenkoep uskorennoeformirovaniesilicidnyhsloevnamolibdene AT čiškalava uskorennoeformirovaniesilicidnyhsloevnamolibdene AT šeremetvi uskorennoeformirovaniesilicidnyhsloevnamolibdene AT širokovbm uskorennoeformirovaniesilicidnyhsloevnamolibdene |