Модификация поверхностных слоев альфа-Fe при высокодозной интенсивной имплантации ионами Ti, Al, C Мартыненко, Валерий Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Улучшение поверхностных свойств

ітєриелов is изделий являете/! важней задачей. Актуальность

вменения ионной -имплантации- длл ее решения обусловлена

яцественными преимуществами этого метода перед другими

юсоЗами обработки поверхности, -а именно: увеличение

іствсрикостл в твердом состоянии; возможностью

гедрения любого элемента в поверхность любого твердого

;ла, в том числе, взаимно не растворимых элементез;

ізможностьіо формирования фаз, необразующихся в равновесных

:ловиях; возможностью 'быстрого .изменения состава сплава;

(Зависимостью поверхностных процессов от- протекающих з

>ъеме; возможностью процесса при низких .температурах;

значительным изменением размера обрабатываемого изделия;

сутствием^- проблемы' адгезии; контролируемой- глубиной

определения примеси; вакуумной чистотой.'

Применение для модификации- поверхностных соейств
сокопроизводительных вакуумно-дуговых- импульсных

точников ионов значительно расширяют производительность

возможности ионной имплантации, поскольку при такой
работке в поверхности - происходит комплекс явлений,

лючающий в себя; изменение элементного состава дифицированного слоя, создание твердых растворов, рмирование и выделение новых фаз. Одновременно наблюдается л-*й набор эффектов. Этб"йзменёние параметров решетки и ее па '; размеров и ориентации зерен,блоков кристаллитов, лоть до аморфизации; появление радиационных дефектов кансионного и .межузельного типа,, дислокаций,-, а также ямающих и растягивающих внутренних напряжений. . *

Однако до настоящего времени недостаточно изучены вспросы яяния параметров и режимов высокодозного облучения, типа

4 используемых ионов на структурно-фазовое состояние соответственно, механизмы изменения свойств ишілантировань поверхности металлов и особенно а - железа, являющего основой конструкционных материалов.

ДнскуСионмЬ,йл на настоящий момент остается фундаментальн
вопрос о возможности существования "эффекта дальнодействия
По мнению ряда авторов, последний заключается в том, ч
глубина слоя с повышенной концентрацией . дефекте
образующегося в результате высокодозной имплантаи
значительно ( на 2-3 'порядка ) превышает пробег ионов
матрице материала. В других исследованиях^:такого эффекта
наблюдается.

Выше сказанное определило актуальность темы диссертацконь работы,- позволило сформулировать цель⁰ и поставить заде проводимых' исследований.

Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является изучение лрофш
распределения примеси, изменения типа дефекп

кристаллического строения и их распределения по глуби*
структурно-фазового , состава поверхности а-г

имплантированного интенсивными лучками ионов Ті А1 и С
высокими дозами..' Установление корреляции между измене»
дефектной структуры, . . фазрі-ого состава

физико-механическими свойствами ' имплантироват

поверхности. Для этого были поставлены следующие задачи :

1. Изучение профилей распределения внедренных ионов
по глубине имплантированной поверхности при различных
параметрах интенсивного облучения.

2. Изучение структурно - ' фазовых изменений
поверхностном 'слое a-Fe в результате имплантации одно

ногсзарядньаад искам: Гі.АІ и С,

3. Изучение изменения физико-механических характєристи:--.
ерхнссткого слоя- ct-?e е результате интенсивней имллак-
,ии ионз.ьс,; различного сорта и заряднссти, при различна::
ах имплантации.

1. Изучение возможности существования "эффекта дальнс-:ствия" при высокодознсп интенсивной имплантации a-Fe.

2. Установление возможности корреляции ме:кду дефектней с/ктурой, 'элементным и фазозым составом поверхности [лантирозаняого ct-Fe и изменением ее механических, [Оологических свойств з результате облучения ионзу.н шичного сорта- с различными параметрам: облучения.

6. Разработка механизмов модификации поверхностных ійств a-Fe . в процессе облучения различными ионами при їличньїх параметрах облучения.

Научная новизна >аботе получены следующие новые научные результаты :

1. Впервые с помощью- неразруиающего метода аннигиляции іка медленных позитронов измерены профили распределения эектов кристаллического строения различного типа по 'бине облученной поверхности a-Fe при высокодозной cl0^ls- 8х10¹⁷ ион/см²) интенсивной ' имплантации ионами А1,С.

2. В результате высокодоЙДОй интенсивной имплантации a-Fe іами Ті--формируется- дефектный слой, включающий в себя : іасть с повышенной концентрацией точечных дефектов жансии, .вакансионные кластеры, комплексы сансия+примесный атом) глубиной до 50 нм и" слой с зышенной плотностью дислокаций и дислокационных петель, /бина которого не привышает 350 нм-

3. При облучении .a-Fe карбидообразующим элементом (Ті) внедрение углерода из. остаточной атмосферы и _і образование мелкодисперсных . карбидов титана оказывает существенное влияние не только . -на структурно-фазовое состояние поверхности, -но .и-.на. результирующий, профиль распределения Ті по глубине, что проявляется в .смещении поверхностного максимума .вглубь.от поверхности по мере ' повышения дозы, имплантации.

Практическое значение Проведенные .исследования расширяют . существующие представления о закономерностях .формирования .дефектной структуры, „ структурно-фазового состава ^облученной поверхности >железо-содержащих сплавов' при высокодазной имплантации-различных ионов, а -также их связи с изменением

механических и трибояогических свойств имплантированной

. . . - * ... - ^в

поверхности. Полученные^: результаты позволяют обоснованно лодходить к выбору-внедряемых ионов и режимов -облучения для целенаправленного изменения поверхностных свёйств жел^зо-содержаших сплавов.

Личный вклад автора состоит.в непосредственном .участии
в постановке задачи исследований, в приготовлении
образцов, проведении экспериментальных исследований,
обработке и обсуждении^:полученных результатов и формулировке
выводов. -₍ .

Основные положения, - выносимые на зашиту 1. В 'результате .высокодозной имплантации a-Fe иона:.::-; Ti,A,C в интервале доз от"'5x10" ион/см^г.до 8x10¹' ион/см" не наблюдается ."эффекта дальнодействия"., т.е. существенного превышения .дефектного слоя над глубиной пробега ионов.

2. Результаты измерения S - параметра образцов oc-Fe, имплантированных Ті с дозами 5х10¹⁶ — -5х10¹⁷ кон/см^?, полученные с помощью пучка медленных позитронов.

3. Существенное увеличение микротвердости V.

износостойкости, и значительное уменьшение коэффициента
грения образцов oc-Fe, облученного ионами Ті, помимо

товызения концентрации дефектов и частичной аморфизацми товерхностного слоя, в первую очередь обусловлено збразованием мелкодисперсных карбидов Ті, за счет углерода, внедренного из остаточной атмосферы камеры ускорителя.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись: га 8-й международной конференции "Ионно-пучковая модификация материалов" ІВММ-92 (Германия, Гейдельберг, 1992 г.), на сонференции MRS-92 (США,Бостон 1992г.), на международной сонференции "Поверхностная модификация материалов ионными іучками" "SKMIB-93 (Япония, Каназава, 1993 г.) на 1-й «еждународной конференции " Модификация поверхностных слоев іеполупроЕОдниковьіх материалов пучками частиц" MPSL-93 ' 'краина, Сумы, 1993 г.)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5
>абот. ,

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и :писка литературы, включающего 84 наименования, изложена на 138 страницах машинописного текста и содержит 28 )исунков и 4 таблицы.