Модификация поверхности металлов методом ионно-лучевого смешивания Мурзин, Иван Германович

Введение к работе

Актуальность темы. Требования, предъявляемые к высокотехнологичным материалам со специальными служебными характеристиками подразумевают наличие у них особых поверхностных свойств, отличных от объемных. Одним из наиболее перспективных методов обрвботки, позволявши производить контролируемое изменение состава и структуры приповерхностных свойств металлов, является метод ионно - лучевого смешивания (ШГС). Принцип .<гатода заключается в нанесении на обрабагнввемую поверхность тонкой пленки лвгируицего элемента и последущем облучении полученной системы потоком ионов инертных газов высокой энергии с (елью образова_г ния -смешение области. С его помощью удается направленно изменять такие сво1._гвв материалов, как износостойкость, коррозионная стойкость, микротвердость и ряд других физико - механически характеристик. Основными преимуществами метода ИЖ! перед альтернативными технологиями обработки поверхности и, в первую очередь, прямой ионной ит.ллантвцией (ПИИ) являются: 1) отсутствие ограничений на верхний предел концентрации вводимого лвгируицего элемента; 2) использование интенсивных пучков ионов инертных газов, широко распространенных в промышленных имплвн-терах, вместо дорогостоящих и малоэффективных источников металлических ионов; 3) снижение на 1 - 2 порядка знвчений доз ионов, необходимых для аффективного легирования и синтеза соединений; 4) возможность увеличения толщины модифицированного слоя поверхности.

За последние 5 - G лет технология НДС полууила широкое распространение за рубежом для Обработки прецизионных деталей различных механизмов и приборов, применяющихся в медицине, машино- и приборостроении. Ив основе ШГС активно разрабатывается

новый матад поверхностной обработки металлов - динамическое перемешивание или конденсация с одновременной ионно - лучевой бомбардировкой - находящай все большее применение в промышленности.

Однако, накопленных к настоящему "времени вкспериментальных данных и теоретических представлений явно недостаточно для разработки наиболее вфБектившх с технологической точки зрения режимов ИЛС. Большинство опубликованных к настоящему времени научных работ относится н изучению полупроводниковых систем, в леноввом, на основе кремния. Нельзя однозначно предсказать, кв-ковы будут механизмы и эффективность смешивания реальных систем типа металл - металл. Практически полностью отсутствуют работы по физика - математическому моделирована» происходящих при атом процессов. Существующие критерии ионно - индуцдроваяного фазо-образования не полны в часто прогивдрб ат друг другу. Наконец, недостаточно научена возможность совмещения ИЛС и прямой ионной имплантации и влияние такой обработки на триботехнйчаекие характеристики материалов.

Поэтому несомненно актуальным является изучение ввкономер-ностей модификации металлов методом ИЛО, что позволит выработать новые подхода к направленному изменению состава, структуры и свойств их поверхностей.

Настоящая работа выполнена на кафедре металлографии Московского института стала и сплавов в соответствии с программой фундаментальных исследований по проблеме "Космическая физика металлов", утвврвденной постановлением 1"КНТ СССР от 27 мая 1987г. *164, V- 3. 13. 6. 2. I.

- Цель работа состояла в выявлении закономерностей формирования состава, структуры и свойств поверхности металлов, леги-

рованннх методом ионно - лучевого смешивания и получении на этой основе поверхности с заданными свойствами. В работе Онли поставлены следующие задачи:

1. Рвзработвгь компьютерную прогромму для расчета энергии,
внесенной облучвщин ионом в поверхность смешиваемой системы с
учетом субкаскадов собственных выбитых втомов мишени.

2. Установить критерий, позволяющий тредоказывать
направление преимущественного распространения элементов при
смешивании.

1. На примере систем Al/Je и Fe/W, облвпчщих различным набором основных параметров смешивания, установить влияние ион-но - лучевого іешивания на фазовый состав их приповерхностных слоев.

2. Применить модель радиационно - стимулированной диффузии (РСД) для расчета глубины и профиля легирования при ионном смешивании в реальной двухслойной системе.

5. лденить возмокность совместного использования ИЛО и
прямой ионной имплантации (ПИИ) для повышения триботехнических
характеристик поверхности железа.

для решения данных задач применяли комплекс современных физических методов: Охе - електронную спектроскопию (ОЭС), Мес-сбауэровскую спектроскопию конверсионных электронов (МСКЭ), просвечиващув электронную микроскогаао (ШМ), рентгеновскую дифракции (РД). При моделировании использовали программу ТР!*Ч для расчета внесенной энергии и дефектообразования при облучении и математический метод сеток для решения системы дифференциальных уравнений.

Основные положения и результаты, вынесенные на защитуs

1. Компьютерная 'программа, позволяющая рассчитывать рас-

пределение энергии, внесенной ионом в каскадах атомных столкновений о учетом образования субкаскадов, создаваема! собственными выбитыми атомами мишени.

2. Экспериментальные результаты определения профилей легирующих влементов (А1, Ре, If) в приповерхностных слоях а - Ре и W после ИЛО, полученные методом ОЭС.

3. Влияние распределения упругой енергии, внесенной ионом в процессе облучения, на направление преимущественного распространения элементов при смешивании двухслойных систем Ре - W, W г- Ре и Al/Pe.

4. tesHKo - математическая модель процесса радиационно -стимулированной даФЕуаии при ИЛО. Результата мод' тарований РСД атомов А1 в квлвзо при бомбардировке иааами Аг⁺.

б. Диагностика изменений структурного состояния и фазового соотвва систем А1/?е и Ре - W после ИЖ л помощью методик MGK3, ПЭМ и рентгеновской дифракции.

6. Способ синтеза A1N в поверхности а - Ре с использованием прямой ионной имплантации азота и смешивания ионами Аг*.

Практическая ценность работа. Новые вксдарименталыша результаты, полученные в данной работе, являются исходными данными для уточнения сущаствуюцей и построения новой теории поверхностного легирования металлов методом ИЛС. Разработанный способ синтеза нитрида алиминия на поверхности а-Ре с помощью ИЛО и прямой ионной имплантации могет быть использовав для создания технологии получения покрытий с высокой износостойкостью. Й13И-ко - математическая модель процесса радиационно - стимулированной диффузии при ИЛО макет применяться для оценки глубины легирования и распределения атомов легирующего елемента покрытия по глубина образца основы.

Апробация рвбота. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались не:

1. 1-ой Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряжениях; частиц" (15 - 18 ноября 1988 г., г. Томск);

2. 19-ом Всесозном совещвкии по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (30 мая - 3 июнг 1989 г., г. Москва );

3. 3-ей Международной конференции по модификации материалов энергетическими импульсами и пучками частиц (4-8 сентября 1969 г., г. Лсезден);

4. 6-ой У'ждународной школе по вакуумной, электронной и ионной технологиям (20 - 26 сентября 1989 г., г. Варна);

5. Всесоюзном совещании молодых ученых и специалистов "Радиационная физика твердого тела" (20-22 июня 1991 г., г. Севастополь ).

пу -икации. По материалам диссертации опубліковано 6 работ.

Объем работы. Диссертация состоит иа введения, ітнрех глав, списка используемой литературы. Объем диссертации включает/» страниц машинописного текста, "/О таблиц и список литературы, содержащий /^ наименований.