Ионно-лучевой синтез соединений в молибдене и цирконии Сейдигазимов, Сайран Кенесбекович

Введение к работе

Актуальности темы. В настоящее время защита конструкционных материалов представляет собой одну из важнейших народно-хозяйственных проблем, решение которой позволит уменьшить расход черных и цветных металлов, повысить качество машин и механизмов, сэкономить материальные и энергетические ресурсы. Наиболее жесткие н универсальные требования предъявляются к конструкционным материалам, работающим в специфических условиях (высокие температуры, агрессивные среды, различные виды механических и тепловых нагрузок), что обуславливает применение дорогостоящих металлов и . сплавов, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики. Наиболее принципиальным и экономически выгодным способом решения данной задачи является создание покрытий на поверхности детеде.%. В этом случае основной материал обеспечивает прочностные критерии, а различные по составу покрытия -защиту конструкционного материала от воздействия среды, высокую или низкую теплопроводность, изменение отражательной способности и т.д. Большие перспективы в этом отношении открывает метод ионной имплантации, заключающийся во внедрении ускоренных ионов в приповерхностные слои материалов, который позволяет модифицировать поверхностные слои изделий на конечной стадии изготовления, не изменяя их геометрических размеров. Более того, уникальные особенности метода, среди которых можно выделить возможность контролируемого введения примесей до концентраций не ограниченных пределом их растворимости в материале, предоставляют возможность создания новых поверхностных структур, получение которых обычными термодинамически равновесными методами не представляется возможным. Вместе с тем, ионно-имплантнрованные слон (ИИС) представляют собой малоизученные неравновесные системы, состояние которых в большинстве случаев невозможно описать с помощью классических термодинамических подходов, что препятствует целенаправленному использованию данного метода для модификации конкретных свойств

4 поверхности материалов в силу непредсказуемости конечных результатов.

К моменту начала настоящей работы по данной тематике, посвященной изучению механизмов структурно-фазовых превращений в металлах при бомбардировке их ускоренными ионами, в литературе накопилось довольно большое количество, нередко противоречивых экспериментальных данных, объем которых резко возрос за последние годы. С одной стороны, это говорит о неослабевающем интересе к рассматриваемой проблеме; с другой стороны, отсутствие общепризнанных теоретических моделей, описывающих Наблюдаемые явления, свидетельствует об уровне ее сложности и необходимости проведения дальнейших исследований в этом направлении. В связи с этим представляется необходимым проведение разносторонних исследований, касающихся не только вопросов выявления особенностей фазовых превращений в приповерхностных слоях в зависимости от условий внедрения, но и поиск путей послеимплантационного воздействия направленных на изменение состояния возникающих структур или получения новых соединений. В этом отношении, наряду с обычным изохронным, заслуживает внимание использование импульсного послеимплантационного отжига, который по р>,ду параметров (скорость нагрева и охлаждения, длительность отжига, толщина нагреваемой области) существенно отличается от обычного изохронного, что значительно расширяет возможности исследований в указанном направлении.

Цель работы заключалась в выявлении закономерностей структурных и фазовых превращений в переходных металлах с различной исходной -структурой при бомбардировке нх ускоренными атомами неметаллов, а также последующем изохронном и импульсном электронном отжигах.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1, Монтаж и запуск ускорителя тяжелых ионов "Везувий-2-450", а также
отработка режимов его работы;

2. Проведение экспериментов по имплантации образцов ионами аргона, бора,
углерода, азота, кислорода, фосфора, кремния, серы;

3. Изучение особенностей структурно-фазовых превращений в ионно-

имплантнрованных образцах молибдена и циркония методом рентгеноструктурного анализа;

1. Расчетное и экспериментальное определение температуры нагрева приповерхностных слоев материала в зависимости от параметров облучения при импульсном электронном отжиге в микросекундном диапазоне;

2. Исследование структурно-фазовых превращений в ионно-имплантированном молибдене после импульсного отжига;

3. Проведение дополнительных экспериментов по определению профилей распределения имплантированной примеси в наиболее интересных случаях;

4. Анализ полученных результатов и построение феноменологической модели структурно-фазовых превращений при ионной имплантации.

Научная новизна представленной работы состоит в следующем:

1. Установлено, что характер структурно-фазовых превращений в переходных металлах при ионной имплантации не зависит от типа их исходной структуры металла, физико-химических свойств налетающих частиц и их кинетических параметров, а определяется, в основном, соотношением размеров атомов внедряемых элементов и матрицы.

2. Обнаружено явление нонно-нндуцированного перехода исходной кристаллической решетки в разупорядоченное состояние и обратно в кристаллическое, сопровождающееся образованием химического соединения, охарактеризованное в дальнейшем к:ік рекрнсталлизвционный ионный синтез;

3. Показано, что использование импульсного электронного отжига ионно-имплантнрованных слоев в михросекундном диапазоне позволяет не только синтезировать химические соединения, но и менять их структурное состояние (поликристалл, текстура, блочная структура).

Практическая ценное!ь результатов, полученных в работе, заключается в том, что они могут быть непосредственно использованы для разработки радиационных технологии создания покрьпии конструкционных иатериалоз с заданными физико-химическими сиойсівамп.

На защиту выносятся следующие положения:

4. Существует, по крайней мере, два механизма структурно-фазовых превращений в ионно-имплантированных слоях, приводящих в процессе внедрения к возникновению упорядоченных структур в виде химических соединений. При этом характер превращений определяется не кинетическими параметрами бомбардирующих частиц и их химической активностью, а соотношением атомных размеров имплантируемых элементов и элементов матрицы. Для элементов со сравнительно малыми атомными радиусами, относящиеся к элементам фаз внедрения характерен полиморфный переход из менее в более плотноулякованную структуру (ОЦК-*ГПУ, ГЦК) с образованием соединения внедрения. При увеличении атомных размеров имплантируемых частиц реализуется второй механизм, согласно которому накопление внедряемой примеси ведет вначале к аморфизации исследуемых слоев, а затем к переходу в упорядоченную структуру с образованием химического соединения. Отмеченные механизмы приводят, в основном, к синтезу неравновесных с точки зрения термодинамики структур;

5. Выявленные механизмы ионного синтеза не зависят от исходной структуры (ОЦК, ГПУ) имплантируемой матрицы;

6. Изохронный отжиг ионно-имплантированных слоев переводит их в равновесное состояние, сопровождающееся распадом метастабильных фаз или переходом их в низкотемпературные модификации;

7. Импульсный отжиг ионно-имплантированных слоев в микросекундном диапазоне предоставляет возможность, вследствие их быстрого нагрева, не только синтезировать соответствующие соединения, но и получать их в различных структурных состояниях (поликристалл, текстура, блочная структура).

Апробация работы. Результаты работы были доложены на Всесоюзных совещаниях "Физика взаимодействия заряженных частиц с монокристаллами" (Москва; 1985, 1991, 1992 г.г.); Всесоюзных конференциях "Ионно-лучевая модификация материалов" (Черноголовка, 1987 г. и Каунас, 1989 г.);

Международном совещании стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела"

(Сочи, 1989 г.); Международной конференции "Модификация материалов энергичными импульсами и пучками частиц" {Дрезден, ГДР, 1989 г.); Всесоюзном совещании "Физико-химия взаимодействия ионного и фотонного излучения с поверхностью твердых тел" (Звенигород, 1991 г.); Региональном семинаре "Радиационная обработка на базе ускорителя" (Дамаск, Сирия, 1995 г.); Международной научно-практической конференции "Ядерная энергетика в Республике Казахстан. Перспективы развития" (Актау, РК, 1996 г.), 4-ой научной Казахстанской конференции по физике твердого тела (Караганда, 1996 г.).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы (156 наименований). Общий объем диссертации - 155 страниц, 99 страниц основного текста, 49 рисунка, 9 таблиц.