» » Модифицирование поверхности мощными ионными пучками
18.01.2016

Ионно-пучковые технологии используют моноэнергетические и полиэнергетические пучки ионов различных химических элементов. Энергия ионов, поток (ток пучка), флюенс (интегральный поток) являются основными параметрами ионного пучка, которые определяются целями и задачами обработки. Обычно для модифицирования материалов применяют пучки с энергией ионов до 100 кэВ и флюенсом до 10в18 ион/см2, а для поверхностного легирования методом ионного перемешивания — с флюенсом до 10в17 ион/см2.
Современные ускорители и генераторы заряженных частиц обеспечивают диапазон энергий ускоряемых частиц от 1 до 10в13 эВ и мощности пучков от милливатт до сотен тераватт (10в12 Вт).
Электростатические ускорители основаны на ускорении заряженных частиц в постоянном электрическом поле в промежутке «катод — анод». Для получения начальных пучков ионов используются методы эжекции ионов из различных плазменных устройств. Создание положительных ионов, особенно многозарядных, требует применения источников высокотемпературной плазмы, тогда как для формирования пучков отрицательных ионов используют низкотемпературную плазму.
Ускорители постоянного тока обеспечивают ускорение ионов до энергий несколько МэВ, для более высоких энергий применяют ускорители переменного тока (резонансные ускорители).
Циклические ускорители (циклотроны) при ускорении протонов позволяют достичь энергий 20 МэВ, более высокие энергии достигаются на фазотронах (1 ГэВ), предельные значения — на синхротронах.
Применение накопительных колец позволяет увеличить токи ускоренных частиц до необходимой удельной мощности пучка на мишени.
Транспортировка и фокусировка заряженных частиц на мишени осуществляется с помощью электростатических и магнитных полей в виде формирующих систем (линз).
Распыление при ионном облучении характеризуется передачей кинетической энергии бомбардирующего иона атомам твердого тела, в результате чего происходит вылет с поверхности тех атомов, энергия которых достаточна для преодоления сил связи в твердом теле. Коэффициент распыления определяется средним числом атомов, распыляемых одним ионом. Распыление происходит при потоках частиц, исключающих разогрев ми щек и до высоких температур и ее оплавление, а также испарение, когда энергия ионного пучка превосходит некоторое пороговое значение.
Основные технологические операции обработки поверхности с использованием ионных пучков — ионное перемешивание и имплантация.
Метод ионного перемешивания заключается в интенсивном перемешивании при ионном облучении тонкой пленки легирующего элемента, предварительно нанесенной на поверхность, и материала основы (подложки). В качестве бомбардирующих ионов используют ионы инертных газов (Ar+, Kr+, Xe+) с энергией 10—1000 кэВ, длина пробега которых должна соответствовать толщине пленки легирующего элемента (до 1—2 мкм), а пик энерговыделения должен попадать на межфазную границу.
Ионная имплантация является наиболее распространенной технологической операцией модифицирования поверхности с использованием ионных пучков. Она как способ прецизионного легировании позволяет ввести практически любой легирующий элемент в условиях точного контроля его количества, распределения, чистоты (масс-спектрометрическая сепарация) и низкой температуры процесса.
Ионная имплантация, применяемая для модифицирования конструкционных металлов и сплавов, обеспечивает следующие преимущества :
— образование неравновесных, метастабильных структурно-фазовых состояний, в том числе аморфного состояния, которые недостижимы в обычных условиях из-за ограниченной растворимости и диффузионной подвижности компонентов;
— формирование постепенного перехода от поверхностного модифицированного слоя в объем материала;
— контроль глубины модифицированного слоя при отсутствии изменений размеров изделия.
Особенностью ионной имплантации является образование высокой плотности радиационных дефектов, которая на 2—3 порядка превосходит концентрацию имплантированных ионов.
Для модифицирования металлических сплавов применяют легкие (Не+, B+, C+, N+), а также тяжелые (Al+, Ar+, Ti+, Cr+, Ni+, Nb+, Mo+) ионы.
Накопление большого количества радиационных дефектов в условиях относительно низких температур воздействия ионных пучков приводит к аморфизации материала мишени.
Критический флюенс, приводящий к аморфизации, зависит от массы иона и температуры мишени при облучении.
В общем случае упрочнение при ионной имплантации определяется:
— формированием аморфного состояния;
— твердорастворным механизмом за счет имплантации легирующих элементов с образованием метастабильных пересыщенных твердых растворов внедрения, замещения;
— деформационным механизмом в результате образования высокой плотности радиационных дефектов — скоплений межузельных атомов, дислокационных петель и др.;
— дисперсионным механизмом вследствие образования высокодисперсных выделений метастабильных фаз, препятствующих движению дислокаций.
Одно из практически важных достоинств метода ионной имплантации заключается в том, что благодаря ему значительно повышается износостойкость металлических материалов (до 20 раз).
При модифицировании низкоуглеродистых сталей наиболее эффективна имплантация ионов легких элементов азота, углерода, бора, и том числе и совместная, что обусловлено высокой интенсивностью их взаимодействия с дефектами и образования сегрегаций, дислокационных атмосфер, тормозящих перемещение дислокаций.
Положение максимума износостойкости на кривой дозовой зависимости износостойкости низкоуглеродистой стали (рис. 20.5) при облучении ионами азота с энергией 30 кэВ и флюенсом 10в17 ион/см2 соответствует образованию нитрида железа (у-Fe4N).
Увеличение долговечности режущего, штампового инструмента, волочильных фильер в 2—5 раз, повышение производительности при вытяжке прутков и проволоки до 5 раз, снижение налипания металла при штамповке, улучшение качества продукции достигается при имплантации ионов N+, C+, Co+.
При имплантации ионов азота с флюсисом 10в17 ион/см2 в низкоуглеродистую и коррозионно-стойкие стали, титан, сплав Ti— 6Аl—4 V наблюдается увеличение долговечности металлических материалов в 8—10 раз при работе в условиях развития усталости.
Главными факторами, определяющими высокую коррозионную стойкость металлических сплавов при ионном облучении, являются формирование при ионном легировании однородной пассивирующей пленки, аморфизации поверхностного слоя.
Введение в сплавы на основе титана при ионной имплантации электрохимически положительных металлов платиновой группы приводит к образованию высокодисперсных выделений этих металлов (Pt, Pd, Ru, Re) размером - 1 мкм, способствующих эффективной водородной деполяризации, резкому переходу сплавов и устойчивое пассивное состояние и увеличению коррозионной стойкости.
Снижение склонности к межкристаллитной коррозии аустенитных сталей достигают путем ионной имплантации ионов хрома, эффективность которой связана с повышением концентрации хрома в поверхностном слое, по аналогии с объемным легированием.
В общем случае коррозионное поведение аморфизованной посредством ионной имплантации поверхности сплава аналогично поведению сплава, полученного методом спиннингования.
Например, аустенитные нержавеющие стали, в поверхность которых методом ионной имплантации были внедрены ионы фосфора, показали более высокую склонность к пассивации, чем необработанный материал. Внедрение ионов бора приводило к повышению потенциала питтингообразования.
Аморфизация чистых металлов обычно протекает при существенно более высоких скоростях охлаждения по сравнению с относительно легко аморфизующимися сплавами с добавками аморфизаторов, к числу которых относятся металлоиды типа С, P, В, Si и др.
Модифицирование поверхности мощными ионными пучками

При быстрой закалке в результате MИП-обработки сталей в твердом состоянии, кроме эффекта пересыщения твердого раствора углеродом и легирующими элементами, происходит существенное измельчение зерна и частиц карбидных фаз, что повышает твердость и прочность стали. В частности, при обработке инструментальной стали смешанным пучком ионов H+ и C+ (энергия ионов 0,5-1,0 МэВ, энерговыделение 10 Дж/см2, длительность импульса 40 нс) происходит растворение карбидов, переход углерода в твердый раствор α-Fe и измельчение зерна до 20 нм. Микротвердость инструментальной стали в результате обработки увеличивается с 330 до 900 МПа, а работоспособность инструмента возрастает в 1,7-3,5 раза.
Воздействие импульса МИП при больших плотностях тока ионов (100 А/см2) сопровождается интенсивным удалением атомов с поверхности мишени, в основе которого лежит комбинированный механизм распыления, испарения и ионизации атомов. Этот процесс эрозии можно считать радиационно-стимулированным испарением.
Технологическое использование МИП в режиме радиационно-стимулированного испарения (пучково-эрозионная обработка (ПЭО)) осуществляется, например, для очистки и полировки поверхности, удаления ранее нанесенных пленок и покрытий.
ПЭО может быть использована для увеличения адгезии износостойкого покрытия после предварительной обработки поверхности, для очистки лопаток газотурбинных авиационных двигателей от нагара в виде сложных оксидов и карбидов, а также формирования оптимального структурно-фазового состояния поверхности компрессорных лопаток из сплавов титана ВТ18У и ВТ9, обеспечивающего увеличение их ресурса.
При выборе режима ПЭО, обеспечивающего направленный выброс (абляцию) вещества мишени и резкое охлаждение конденсата, получают ультрадисперсные порошки (УДП) с зернами размером 5—25 нм. Они используются для изготовления высокоэффективных химических катализаторов, мощных магнитов и т.п.
Метод прямой имплантации ионов пучка также позволяет изменять химический состав и фазовое состояние поверхностного слоя.
В сложнолегированных сплавах при воздействии МИП происходит существенное перераспределение компонентов сплава как в зоне имплантации, так и в глубине мишени, вследствие радиационно-ускоренной диффузии.
При МИП-обработке инструмента, изготовленного из стали Р6М5, происходит измельчение зерна до наноразмеров, формирование дефектов на глубине до 40—50 мкм и перераспределение компонентов стали с обогащением углеродом поверхностных слоев. Эти изменения структурно-фазового состояния стали сопровождаются повышением износостойкости в результате устранения выкрашивания и переходом к равномерному износу инструмента.
При оптимальном выборе параметров МИП-обработки твердосплавных пластин типа BK (WC(TiC)+Co] образуются новые двойные и тройные фазы типа CoxWyCz, в карбиде вольфрама происходит измельчение субструктуры, формирование развитой дислокационной структуры и увеличение концентрации дефектов упаковки, а также имеет место оплавление кобальтовой матрицы, которое позволяет залечить дефекты поверхности, что существенно увеличивает ресурс пластин.
При МИП-обработке жаропрочного сплава на основе титана ВТ6 образуется метастабильный мелкодисперсный α'-мартенсит с развитой дислокационной структурой, увеличиваются пластические и снижаются прочностные характеристики сплава. Последующее старение сопровождается значительным увеличением микротвердости сплавов.
Обработка сталей перлитного класса МИП приводит к возрастанию плотности дислокаций в феррите (до образования ячеистой структуры) и перлите (формируется сетка дислокаций), а также к повышению дисперсности перлита в результате диспергирования цементитных пластин с растворением Fe3C и образованием частиц метастабильной фазы FeC округлой формы.