Неиспаряемые геттерные сплавы - RU2260069C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к неиспаряемым геттерным сплавам. В частности, настоящее изобретение относится к неиспаряемым геттерным сплавам (сплавам для геттеров), которые обеспечивают высокую эффективность сорбции газов, в особенности азота.

Неиспаряемые геттерные сплавы (non-evaporable getter alloys), известные также как NEG-сплавы, могут обратимо сорбировать водород и необратимо сорбировать такие газы, как кислород, пары воды, оксиды углерода и, в случае некоторых сплавов, азот.

Первоначально такие сплавы применяли для поддержания вакуума. Поддержание вакуума требуется в самых различных областях применения, например в ускорителях частиц, в рентгеновских трубках, в плоских дисплеях, работающих на основе автоэлектронной эмиссии, и в теплоизолирующих откачанных пространствах между стенками сосудов, таких как термоизолирующие колбы (термосы), сосуды Дьюара, или в трубопроводах для извлечения и транспортировки нефти.

NEG-сплавы можно также использовать для удаления упомянутых выше газов, когда они содержатся в виде следов в других газах, обычно в благородных газах. Примером является их использование в лампах, особенно во флуоресцентных лампах, которые заполнены благородными газами при давлениях несколько десятков миллибар, в которые NEG-сплав помещают с целью удаления следов кислорода, воды, водорода и других газов и поддержания таким образом подходящей атмосферы для функционирования ламп; другим примером удаления следов указанных газов из других газов является очистка инертных газов, в особенности для применения в микроэлектронной промышленности.

Обычно такие сплавы содержат в качестве основных компонентов цирконий и/или титан и, кроме того, содержат один или более элементов, выбранных среди переходных металлов или алюминия.

NEG-сплавы являются предметом нескольких патентов. В патенте США 3203901 описаны Zr-Al сплавы и, в частности, сплав, имеющий массовый состав Zr 84% - Al 16%, который заявитель производил и продавал под названием St 101; в патенте США 4071335 описаны Zr-Ni сплавы и, в частности, сплав, имеющий массовый состав Zr 75,7% - Ni 24,3%, который заявитель производил и продавал под названием St 199; в патенте США 4306887 описаны Zr-Fe сплавы и, в частности, сплав, имеющий массовый состав Zr 76,6% - Fe 23,4%, производимый и продаваемый заявителем под названием St 198; в патенте США 4312669 описаны Zr-V-Fe сплавы и, в частности, сплав, имеющий массовый состав Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%, который заявитель производил и продавал под названием St 707; в патенте США 4668424 описаны сплавы цирконий - никель мишметалл с необязательной добавкой одного или более переходных металлов; в патенте США 4839085 описаны сплавы Zr-V-E, где Е представляет собой элемент, выбранный среди железа, никеля, марганца и алюминия, или их смесь; в патенте США 5180568 описаны интерметаллические соединения Zr₁M₁'M₁'', где М' и М'' либо одинаковые, либо различные, выбирают среди Cr, Mn, Fe, Со и Ni, и, в частности, соединение Zr₁Mn₁Fe₁, производимое и продаваемое заявителем под названием St 909; в патенте США 5961750 описаны сплавы Zr-Co-A, в которых А представляет собой элемент, выбранный среди иттрия, лантана, лантаноидов и их смеси, и, в частности, сплав, имеющий массовый состав Zr 80,8% - Со 14,2% -А 5%, производимый и продаваемый заявителем под названием St 787; и, наконец, геттерные сплавы на основе Zr и V для применения в газоочистных установках описаны в различных опубликованных заявках на патенты от имени фирмы "Japan Pionics", например в заявках Kokai 5-4809, 6-135707 и 7-242401.

NEG-сплавы имеют различные свойства в соответствии с их составом. Например, сплав St 101 среди других упомянутых сплавов является лучшим для сорбции водорода, но требует для своей работы активации при относительно высоких температурах, по меньшей мере при 700°С; сплав St 198 имеет плохие сорбционные свойства по отношению к азоту, и поэтому он используется для очистки этого газа; соединения, описанные в патенте США 5180568, не сорбируют водород. В результате этих различий в свойствах выбор NEG-сплава следует делать в зависимости от конкретного предполагаемого применения. В частности, можно сказать, что среди таких сплавов наиболее широко используется сплав с названием St 707, описанный в патенте США 4312669, благодаря его хорошим сорбционным свойствам, особенно по отношению к водороду, и относительно низкой температуре активации, требуемой для этого NEG-сплава.

Удаление атмосферных газов имеет важное значение для некоторых областей применения. Это важно, например, в области теплоизоляции, где необходимо удалить те газы, которые остались в откачанном пространстве между стенками во время изготовления теплоизолирующих сосудов; на практике, для того чтобы удерживать производственные затраты в приемлемых пределах, откачку пространства между стенками, которую проводят перед запаиванием, обычно прекращают через фиксированное время, и обычно при этом в пространстве между стенками сохраняется хотя и небольшое остаточное давление. Сорбция атмосферных газов также требуется для изучаемого в настоящее время применения в инерционных аккумуляторах энергии, более известных как "маховики", которые работают по принципу вращения объекта большой массы с высокой скоростью в откачанной камере; в таком устройстве вакуум необходим для того, чтобы предотвращать потерю энергии вращающейся массы вследствие трения между ней и газами, присутствующими в камере. В этих применениях особенно важным для выбора NEG-сплавов являются их свойства по отношению к азоту, потому что этот газ составляет примерно 80% в составе атмосферного воздуха, а также потому, что он является единственным из атмосферных газов (за исключением благородных газов), который удаляется с помощью NEG-сплавов наиболее трудно.

Область промышленного применения, для которой в настоящее время требуется наиболее высокая эффективность удаления нежелательных газов - это очистка газов для полупроводниковой промышленности. В самом деле, известно, что присутствующие в технологических газах примеси могут включаться в слои, которые образуют твердотельные устройства, тем самым создавая в них электронные дефекты, что приводит к браку в производстве. Степень чистоты, которая в настоящее время требуется для полупроводниковой промышленности, имеет порядок частей на триллион (ppt) (10^-12 атомов или молекул). Поэтому необходимы NEG-сплавы, имеющие очень высокую эффективность сорбции примесей; как отмечено выше, азот среди газов, которые являются обычными примесями в технологическом газе, труднее всего удалить при помощи NEG-сплавов.

Поэтому целью настоящего изобретения является создание сплавов, используемых в качестве неиспаряемых геттеров и имеющих высокую эффективность сорбции газов, особенно азота.

Эта цель согласно настоящему изобретению достигается с помощью геттерных сплавов, содержащих цирконий, ванадий, железо, марганец и по меньшей мере один элемент, выбранный среди иттрия, лантана, лантаноидов и любой их смеси и имеющих элементный состав, изменяющийся в следующих пределах (в последующем тексте все проценты и соотношения являются массовыми, если это не оговорено особо):

- цирконий от 60 до 85%,

- ванадий от 2 до 20%,

- железо от 0,5 до 10%,

- марганец от 2,5 до 30% и

- иттрий, лантан, лантаноиды или их смеси от 1 до 6%.

Изобретение будет описано далее со ссылкой на чертежи, на которых:

- на фигурах 1-5 показаны различные варианты осуществления геттерных устройств, в которых используются сплавы согласно данному изобретению;

- на фигурах 6-11 показаны результаты испытания на сорбцию газов при разных условиях различными сплавами согласно изобретению и сравнительным сплавом.

Сплав согласно данному изобретению отличается от сплавов, известных из патента США 4312669, пониженным содержанием ванадия и железа, которые частично заменены марганцем и одним из элементов, выбранным среди иттрия, лантана и лантаноидов; от описанных в патенте США 4668424 сплавов отличается тем, что эти сплавы не содержат ванадия и марганца и вместо них требуют присутствия никеля в количествах от 20 до 45 мас.%; от описанных в патенте США 4839085 сплавов отличается тем, что такие сплавы не содержат иттрия, лантана или лантаноидов и обычно содержат по сравнению со сплавами согласно данному изобретению повышенные количества ванадия и более низкие количества железа и марганца; от соединений по патенту США 5180568 отличается тем, что такие соединения являются тройными интерметаллическими соединениями Zr₁M₁'M₁'', которые не содержат ванадия или иттрия, лантана и лантаноидов; и отличается от сплавов по патенту США 5961750 тем, что такие сплавы требуют присутствия кобальта и не требуют присутствия ванадия, железа и марганца. Как указано выше и подробно описано далее, такие различия в составе приводят к значительным различиям в сорбции газов, особенно в сорбции азота.

При содержаниях циркония ниже 60% характеристики сорбции газа сплавами согласно данному изобретению снижаются, тогда как при содержаниях этого элемента выше 85% сплавы становятся слишком пластичными и затрудняется их обработка при производстве геттерных устройств. При содержаниях других компонентов сплавов, которые выходят за пределы указанного процентного состава, обычно происходит снижение характеристик сорбции газов, в частности азота при высоком содержании ванадия и водорода при высоких содержаниях железа или марганца. Кроме того, было обнаружено, что сплавы с содержанием ванадия менее 2% являются слишком пирофорными и поэтому опасными в производстве и при обращении с ними. Наконец, процентное содержание выше 6% иттрия, лантана, лантаноидов или их смесей не улучшает сорбционные свойства сплавов, но является причиной их нестабильности на воздухе, в результате чего возникают проблемы при хранении перед использованием. Особенно пригодным для настоящего изобретения является использование вместо последних из указанных элементов мишметаллов (в последующем описании также обозначаемого просто MM). Под таким названием промышленностью выпускаются различные смеси, содержащие прежде всего церий, лантан и неодим, а также малые количества других лантаноидов; такие смеси имеют более низкую стоимость по сравнению с чистыми элементами. Точный состав мишметалла не имеет большого значения, потому что указанные выше элементы имеют близкие реакционные способности, так что химическое поведение различных мишметаллов имеющихся типов в основном одинаково даже в том случае, если содержание отдельных элементов изменяется. Таким образом, точный состав данного компонента не оказывает влияния на рабочие характеристики сплавов согласно изобретению.

В указанных пределах состава предпочтительны сплавы, имеющие содержание:

- циркония, изменяющееся от примерно 65 до 75%, и даже более предпочтительно от примерно 67 до 70%;

- ванадия от 2,5 до 15%;

- марганца от 5 до 25%;

- отношение железо/ванадий заключено между 1:5 и 1:4.

Особенно предпочтительным среди сплавов согласно данному изобретению является сплав, имеющий состав Zr 70% - V 15% - Fe 3,3% - Mn 8,7% - MM 3%, и сплав, имеющий состав Zr 69% - V 2,6% - Fe 0,6% - Mn 24,8% - MM 3%.

Сплавы согласно данному изобретению можно получить плавлением в печи кусков или порошков металлических компонентов, входящих в состав сплава, взятых в соотношениях, соответствующих конечному желаемому составу сплава. Предпочтительными методами плавления является плавление в дуговой печи в атмосфере инертного газа, например аргона при давлении 300 мбар, или в индукционной печи в вакууме или в атмосфере инертного газа. Во всяком случае, для получения сплавов можно использовать и другие методы, которые обычно используются в металлургической промышленности.

При практическом применении сплавы согласно данному изобретению используют в виде таблеток из геттерного материала в чистом виде, или на подложке, или в контейнере. В любом случае предпочтительным является использование сплавов в виде порошков, имеющих размер частиц менее 250 мкм, и более предпочтительно между 125 и 40 мкм. При большем размере частиц имеет место слишком большое снижение удельной поверхности материала (площадь поверхности на единицу массы), тогда как частицы размером ниже 40 мкм хотя и могут быть использованы и даже требуются для некоторых применений, однако приводят к некоторым проблемам на стадиях производства геттерных устройств (тонкие порошки труднее перемещать автоматизированными средствами, и они являются более пирофорными по сравнению с порошками, имеющими больший размер частиц).

NEG-сплавы согласно данному изобретению можно активировать при температурах от 300 до 500°С в течение периодов времени от 10 минут до 2 часов. Влияние температуры превалирует над влиянием продолжительности обработки, и активация при 400°С в течение 10 минут производят достичь почти полной активации.

После активации эти сплавы способны сорбировать газы, такие как водород, монооксид углерода и, прежде всего, азот уже при комнатной температуре, причем их свойства аналогичны свойствам известных сплавов в отношении сорбции водорода и лучше их в отношении сорбции монооксида углерода и азота. Обычно максимальная температура использования сплавов составляет примерно 500°С для того, чтобы не идти на риск ухудшения стабильности и функциональности устройств, в которых содержатся такие сплавы. Оптимальные рабочие температуры таких сплавов зависят от конкретных условий; например, в случае их применения в межстеночном пространстве для теплоизоляции рабочая температура определяется температурой самой теплой стенки межстеночного пространства, в случае "маховиков" рабочей температурой является комнатная температура, а при очистке газов рабочая температура обычно находится примерно между 300 и 400°С.

В случае водорода для всех известных NEG-материалов сорбция является обратимой, так что характеристики сорбции оцениваются в виде равновесного давления водорода над сплавом как функции температуры и количества сорбированного водорода. С этой точки зрения сорбция водорода сплавами согласно данному изобретению является очень хорошей и аналогична сорбции упомянутого выше сплава St 707, который является наиболее широко используемым геттерным сплавом. При этом сплав согласно данному изобретению имеет сорбционную емкость при комнатной температуре, в 15 раз большую по азоту и в 10 раз большую по СО по сравнению со сплавом St 707 в тех же условиях.

Как уже упоминалось, виды геттерных устройств, которые можно изготовить, используя сплавы согласно данному изобретению, могут быть весьма разнообразными, включая, например, таблетки, сформированные только из порошков геттерного сплава, или из таких сплавов на подложке, обычно металлической. В обоих случаях уплотнение порошков можно проводить путем прессования или путем прессования с последующим спеканием. Таблетки, изготовленные только из прессованных порошков, находят применение, например, для теплоизоляции и для очистки газов. В тех случаях, когда порошки наносят на подложку, в качестве материала подложки можно использовать сталь, никель или никелевые сплавы. Подложка может быть выполнена просто в виде ленты, к поверхности которой прикреплены порошки сплава посредством холодной прокатки или посредством спекания после нанесения различными методами. Геттерные устройства, полученные из подобных лент, могут использоваться в лампах. Подложка может быть выполнена также в виде подходящего контейнера, имеющего различные формы, в котором порошки обычно закреплены путем прессования или в некоторых устройствах даже без прессования, т.е. там, где контейнер снабжен пористой мембраной, проницаемой для газов, но способной удерживать порошки. Последняя конфигурация является особенно подходящей для применения в "маховиках", где к геттерному сплаву можно добавить поглощающее влагу вещество, такое как оксид кальция. Некоторые из таких возможностей представлены на фигурах 1-5, где на фигуре 1 показана таблетка 10, изготовленная только из прессованных порошков NEG-сплава согласно данному изобретению. На фигуре 2 представлено NEG-устройство 20, имеющее форму, особенно подходящую для применения в лампах, полученное разрезанием по параллельным линиям, расположенным под прямым углом (ортогонально) к продольному направлению ленты 21, сформированной из металлической подложки 22, на которой находится порошок 23 сплава согласно данному изобретению; устройство типа 20 получают разрезанием ленты по пунктирной линии А-А'. На фигуре 3 показано в разрезе устройство 30, образованное открытым сверху металлическим контейнером 31, в котором находится порошок 32 NEG-сплава. Фигура 4 показывает в разрезе устройство 40, образованное металлическим контейнером 41, имеющим сверху отверстие, закрытое пористой мембраной 43, в котором находится порошок 42 NEG-сплава. Наконец, фигура 5 показывает устройство 50, аналогичное устройству на предыдущем чертеже и особенно подходящее для применения в "маховиках", в котором находится порошок NEG-сплава 51 согласно данному изобретению и порошок поглощающего влагу вещества 52.

Изобретение далее будет иллюстрироваться следующими примерами. Эти не ограничивающие изобретение примеры показывают некоторые варианты осуществления изобретения, которые предназначены для того, чтобы продемонстрировать специалистам в данной области, как применить изобретение на практике, и представить лучший из рассматриваемых способов осуществления изобретения.

ПРИМЕР 1

Данный пример относится к получению сплава согласно настоящему изобретению. 100 г сплава, имеющего состав Zr 70% - V 15% - Fe 3,3% - Mn 8,7% - MM 3%, получали плавлением в индукционной печи в количественных соотношениях, соответствующих указанному составу, Zr, Mn, MM и промышленного сплава V-Fe, содержащего примерно 81,5% по массе ванадия. Использованный мишметалл имел следующий состав: 50% церия, 30% лантана, 15% неодима, а остальные 5% - другие лантаноиды. Слиток полученного сплава размалывали в атмосфере аргона в шаровой мельнице, и порошок просеивали через сито так, чтобы получить фракцию с размером частиц 40-128 мкм.

ПРИМЕР 2

Данный пример относится к получению второго сплава согласно изобретению. Повторяли эксперимент из примера 1, но брали другие исходные количества Zr, Mn, MM и сплава V-Fe так, чтобы получить сплав, имеющий состав Zr 69% - V 2,6% - Fe 0,6% - Mn 24,8% - MM 3%.

ПРИМЕР 3 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)

Данный пример относится к получению слава, известного в данной области техники и который используется в последующих примерах; этот сплав взят для сравнения, потому что он представляет собой NEG-материал, который чаще всего применяют в таких областях, как теплоизоляция и очистка газов. 100 г сплава St 707 получали по той же методике, как описано в примере 1, используя Zr и сплав V-Fe в соотношениях, соответствующих желаемому составу.

ПРИМЕР 4

Данный пример относится к измерению характеристик сорбции азота сплавом согласно изобретению. 0,2 г Порошка, полученного в примере 1, активировали при 500°С в течение 10 минут и затем помещали в камеру для измерений. Испытание на сорбцию азота проводили по методике, описанной в стандарте ASTM F 798-82, при комнатной температуре и при давлении азота 4×10^-6 мбар. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 1 на фигуре 6, показывающей скорость сорбции (обозначаемую S и измеряемую в см³ сорбированного газа в секунду на грамм сплава) в зависимости от количества сорбированного газа (обозначаемого Q и измеряемого в см³ газа, умноженных на давление при измерении в мбар и отнесенных к грамму сплава).

ПРИМЕР 5

Повторяли испытание из примера 4, используя 0,2 г порошка из примера 2. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 2 на фигуре 6.

ПРИМЕР 6 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)

Повторяли испытание из примера 4, используя 0,2 г порошка из примера 3. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 3 на фигуре 6.

ПРИМЕР 7

Повторяли испытание из примера 4, но в качестве испытываемого газа использовали СО, так как он является одним из газов, который чаще всего содержится в откачанных объемах, таких как пространство между стенками для теплоизоляции. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 4 на фигуре 7.

ПРИМЕР 8

Повторяли испытание из примера 7, используя 0,2 г порошка из примера 2. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 5 на фигуре 7.

ПРИМЕР 9 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)

Повторяли испытание из примера 7, используя 0,2 г порошка из примера 3. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 6 на фигуре 7.

ПРИМЕР 10

Повторяли испытание из примера 4, но в качестве испытываемого газа использовали водород. Водород наряду с СО является одним из газов, присутствующих в наибольших количествах в откачанных объемах. Результаты испытаний представлены графически в виде кривой 7 на фигуре 8.

ПРИМЕР 11

Повторяли испытание из примера 10, используя 0,2 г порошка из примера 2. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 8 на фигуре 8.

ПРИМЕР 12 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)

Повторяли испытание из примера 10, используя 0,2 г порошка из примера 3. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 9 на фигуре 8.

ПРИМЕР 13

Повторяли испытание из примера 4, но в этом случае во время испытания выдерживали образец при температуре 300°С. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 10 на фигуре 9.

ПРИМЕР 14 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)

Повторяли испытание из примера 13, используя 0,2 г порошка из примера 3. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 11 на фигуре 9.

ПРИМЕР 15

Повторяли испытание из примера 4, используя в этом случае вместо порошков таблетку высотой 2 мм и диаметром 4 мм с массой примерно 125 мг, изготовленную из порошка, полученного, как описано в примере 1. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 12 на фигуре 10.

ПРИМЕР 16 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)

Повторяли испытание из примера 15, используя таблетку из порошка согласно примеру 3, имеющую тот же самый размер, как таблетка из примера 15. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 13 на фигуре 10.

ПРИМЕР 17

Повторяли испытание из примера 15, используя на этот раз СО в качестве испытываемого газа. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 14 на фигуре 11.

ПРИМЕР 18 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)

Повторяли испытание из примера 17, используя таблетку из порошка согласно примеру 3, имеющую тот же размер, как таблетка примера 17. Результаты испытания представлены графически в виде кривой 15 на фигуре 11.

Особенно важным фактором для оценки NEG-сплава с точки зрения практического применения, прежде всего, если предполагается его работа при комнатной температуре, является сорбционная емкость при некоторой определенной скорости сорбции. На самом деле, при обычных применениях NEG-сплавов их теоретическая сорбционная емкость, которая определяется из стехиометрии окончания реакции между металлами, входящими в состав сплава, и сорбированными газами, никогда не достигается, и обычно является также то, что чем ниже рабочая температура, тем меньше степень протекания указанной реакции. Поэтому, с практической точки зрения, принимают за сорбционную емкость геттерного сплава ту емкость, при которой скорость сорбции снизилась от начальной величины до минимальной величины, приемлемой для применения; кроме того, принимают, что эта минимальная величина равна скорости, с которой газы проникают внутрь откачанного объема вследствие выделения со стенок или проникновения через стенки; в случае применения для очистки газов указанная минимальная величина должна быть по меньшей мере равна потоку примесей, который достигает сплава. Эти практические условия гарантируют, что геттерный сплав будет способен полностью абсорбировать то количество газообразных примесей, с которыми он контактирует. Анализируя результаты испытаний, можно отметить, что у сплавов согласно данному изобретению газосорбционные свойства лучше, чем у сплава St 707; в частности, сорбционная емкость по азоту при комнатной температуре примерно в 5-15 раз выше, чем у сплава St 707 в случае рыхлых порошков (фиг.6) и примерно в 3-5 раз выше в случае таблеток (фиг.10); емкость по СО при комнатной температуре примерно в 3-5 раз больше, чем у сплава St 707 в случае рыхлых порошков (фиг.7) и примерно в 6-10 раз больше в случае таблеток (фиг.11); емкость по водороду порошкообразных сплавов согласно изобретению не хуже или даже лучше, чем емкость сплава St 707 при комнатной температуре (фиг.6); наконец, даже при 300°С порошки сплава согласно изобретению показывают более высокие сорбционные емкости по азоту, чем порошки сплава St 707 (фиг.9).

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к геттерным устройствам, изготовленным из геттерных сплавов. Предложен неиспаряемый геттерный сплав и геттерное устройство. Сплав имеет высокую сорбцию газов, особенно азота, содержащий цирконий, ванадий и железо, при этом он дополнительно содержит марганец и по меньшей мере один элемент, выбранный среди иттрия, лантана, лантаноидов и любой их смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: цирконий от 60 до 85; ванадий от 2 до 20; железо от 0,5 до 10; марганец от 2,5 до 30; иттрий, лантан, лантаноиды или их смесь от 1 до 6. Устройство содержит геттерный порошковый материал, при этом упомянутый геттерный порошковый материал представляет собой порошок неиспаряемого геттерного сплава. Технический результат - создание геттерного сплава с высокой эффективностью сорбции газов, особенно азота. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула