Введение к работе
Актуальность темы. Нпкелпд титана и сплавы на его основе хорошо известны как представители класса материалов с мартепептпымп превращениями, проявляющих эффекты сверхэластпчности п памяти формы fl-2l и которые нашли широкое практическое применение в медицине и технике. Условия их эксплуатации часто связаны с чм.ным воздействием окружающей среды. Известно [3]. что в случаях, когда требуется материал от агрессивной внешней среды и при этом сохранить его функциональные свойства, весьма эффективным оказывается использование папо- п субмпкрок-рпсталлпческнх покрытий различного химического состава. Часто к таким покрытиям предъявляют заранее определенные требования. Например, если предполагается использование покрытий в медицине, то они должны обладать высокой коррозионной стойкостью и биологической совместимостью по отношению к живым тканям.
Несмотря на многочисленные результаты, свидетельствующие о высокой коррозионной стойкости мпкелпда титана, этот материал по-прежнему вызывает определенные опасения в связи с наличием в его составе токсичных атомов никеля, что ограничивает его применение в качестве медицинских нмплантатов. Поэтому задача создании барьерных слоев или покрытии на поверхности нпкелпда титана является актуальной. Кроме указанной защитной функции, вследствие того, что рельеф на поверхности ними та тптаип может существенно изменяться в результате мартепситных превраще-
прп формировании покрытий для такого материала необходимо, чтобы барьерные слои удовлетворяли следующим важным условиям: не приводили к существенному уменьшению эффекта памяти формы или сверхэластичпостн. обладали высокими параметрами адгезии, коррозионной стойкости и бносовместпмостп. В связи с этим, также актуальными являются систематические исследования закономерностей п особенностей формирования субмикро- и паноструктурыых покрытий н поверхностных слоев методами элионных технологий в сплавах па основе ишеелида титана.
Цель работы - исследовать влияние пошто- и электронно-пучковых воздействий на химический состав, морфологию поверхности и адгезионную прочность функциональных покрытий из молибдена или тантала па поверхности нпкелпда титана.
Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи-I Исследовать закономерности изменения химического состава топких (толщиной -200 им) покрытий из молибдена или тантала, переходных слоев п соприкасающихся с ними слоев материала-основы из нпкелпда титана, а также в результате воздействия па них среднеэнергетпческнми пучками ионов углерода, кремния н молибдена.
-
Исследовать закономерности формироваїпія легированных молибденом пли танталом слоев па основе нпкелпда титана путем импульсного воздействия на композиции «покрытие из молі ібдеї іа і їли тантала/ основа из нпкелпда титана» нпзкозі іергетическпмі і электронными пучками.
-
Выявить закономерности влияния пошто- и электронно-пучковых воздействий на морфологию поверхности и параметры шероховатости покрытий из молибдена тантала, осажденных магнетронным методом на подложку из нпкелпда титана.
-
Изучить закономерности формирования фрагмептировапных мано- и субмпкросг-руктур на поверхности покрытий в результате электронно-пучковых воздействий па композиции «покрытие пз молибдена или тантала/ основа из нпкелпда титана»
-
Исследовать влияние поппо- и электронно-пучковых воздействий па адгезионные свойства композиций «покрытие из молибдена или тантала/ основа из ннкелнда тпта-
получепных метолом магнетронного осаждения. Научная новизна.
1 Обнаружено, что при обработке поверхности образцов с покрытиями из молибдена или тантала ионными пучками средних энергий происходит фрагментация
4 структуры матсршиш покрытия па поверх- пости с формированием кваэиперноднче-сого развитого рельефа іюверхносіи. что приводит к понижению класса ее шероховатости. Величина шероховатости поверхности, которая определяется комплексом аметров. іівпспт не только от сорта внедряемых ионов, но и от дозы облучения. 2. Установлено, что в образцах с покрытиями из молибдена пли тантала при ус-ІОЛІІШПП покрытии оказывается соизмеримой с длиной пробега попа воздействие пучками попов С+ Si' Мо+ приводит к изменению хпмпче-п и толщины промежуточных слоев не только в зоне прямого воздействия ионным пучком, по п значительно глубже этой зоны.
3 1 Іокачапо. что сильноточные электронные пучки низких энергий с плотностью
лпергии и ііучіс 15-30 Дж/см" могут быть использованы не только для создания «по-
исрхпостиых» сплавов путем импульсного переплава с перемешиванием покрытия и
.Ticpiiiuia-ocnoiiw. по и для модификации покрытии и промежуточных слоев, толщп-гсоторых изменяется пределах 200-500 им. Определены режимы электронпо-нучкоиои обработки, при которых под облученной поверхностью образца формиру-кнея многослойные композиции с наружным слоем из осаждаемого металла п размытыми границами раздела между нижележащими слоями.
4 Выявлены закономерности фрагментации структуры на поверхности покры-
иод воздействием электронных пучков низких энергии. Обнаружено, что фраг-
ацпя структуры материала покрытия на поверхности в результате таких воздей
ствий осуществляется па двух масштабных уровнях - с образованием субмнкронных
напомстровых фрагментнроваиных структур. Зарождение фрагментированной на-пор;ізмерпой структуры начинается в областях покрытия, расположенных над границами череп материала-основы, и затем распространяется вдоль поверхности зерен к центрам этих зерен. Соотношение областей на поверхности с разными масштабными уровнями фрагментации в большей степени зависит от плотности энергии в электронном пучке, чем от других параметров- числа и длительности импульсов. Научная н практическая значимость работы
Результаты детальных исследований закономерностей формирования легированных барьерных слоев в сплаве на основе нмкелида титана с металлическими одио-компопситными покрытиями являются экспериментальной основой для формирования новых представленим о физических свойствах многослойных систем на поверхности материалов с памятью формы.
Развитая в работе методика прецизионного определения ширины царапины в метоле склерометрии (скратч тестирования) может быть использована для точной оценки адгезионной прочности топких (толщиной менее 200 им) металлических покрытий материалов.
Комплексные исследования, основные результаты которых представлены в диссертационной работе, проводились в рамках госбюджетных проектов 3.6.2.1. (2007-2009). № 111.20.2.1 (2010-2012); комплексных интеграционных проектов СО РАН №91 (2006 2008). №2.3 (2006-2008). № 12.7 (2006-2008), №57 (2009-2011); проекта РФФИ 06-02-08003 (2006-2007); государственных контрактов № 02.523.11.3007 (2007-2009) п № 16.740.11.0140 (2010-2012).
Основные научные положения, выносимые на защиту
1 Закономерности формирования многослойных композиций методом магнетронного осаждения молибдена или тантала на поверхность нмкелида титана и воздействия па них импульсными пучками ионов углерода, кремния и молибдена сред-эпергпп или электронов низких энергий.
2. Закономерности фрагментации структуры поверхности покрытия из молибде-а на иано- п субмикромстровом масштабных уровнях, заключающиеся в
5 том, что на начальной стадии исходная структура поверхности материала покрытия фрагментируется на более высоком - субмикрометровом - масштабном уровне, при этом на границах раздела фрагментов появляются первичные локальные области фрагментированной наноразмерной структуры, увеличение площади распространения которых зависит от параметров энергетических воздействий.
Условия и режимы энергетических обработок с использованием импульсных пучков ионов или электронов, обеспечивающие образование и распространение по всей поверхности субмикромных и манометровых фрагментированных структур.
3. Результаты исследования влияния химического состава и толщины переходных слоев, а также сдвиговой неустойчивости основной фазы В2 материала-основы на адгезионные свойства покрытий из молибдена или тантала на поверхности нике-лида титана.
Механизмы повышения, с использованием дополнительных воздействий ионными пучками, адгезионной прочности покрытий на подложках со сдвигоиеустойчи-вой матрицей, связанные с двумя основными факторами:
изменением свойств переходных слоев и границ раздела между ними, покрытием и основой;
упрочнением тонких наружных слоев материала-основы до подавления в них мартенситного превращения.
Достоверность результатов, полученных в работе разнообразными методиками, обеспечивается комплексным использованием прецизионных методов исследования на современном оборудовании, их согласованностью между собой и экспериментальными данными других авторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих международных и всероссийских конференциях, форумах, семинарах: Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Россия, Томск, 2008, 2009, 2010), IV Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» «ПРОСТ 2008» (Россия, Москва, 2008), Открытой школе-конференции стран СНГ (Россия, Уфа, 2008), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической ме-зомеханике» (Россия, Томск, 2008, 2009), International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows. (Russia, Tomsk, 2008, 2010), V Международной конференции, посвященной памяти академигса В.Г Курдюмова «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Россия, Черноголовка, 2008), Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО-2009 (НАНО-2011) (Россия, Екатеринбург, 2009; Москва, 2011), VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Россия, Новосибирск, 2009), The second international competition of scientific papers in nanotechnology for young researchers (Russia, Moscow, 2009), Втором международном форуме по нанотехнологи-ям «Роснанотех» (Россия, Москва, 2009), IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Россия, Томск, 2009), Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Россия, Томск, 2009), The third international conference "Defonnation & fracture of materials and nanomaterials" DFMN 2009 (Russia, Moscow, 2009), XII Российской научной конференции «Физика твердого тела» (Россия, Томск, 2010), E-MRS 2010, Spring Meeting, (France, Strasbourg, 2010), 49-ой Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Украина, Киев, 2010).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 33 работах, из них 7 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад соискателя заключается в написании литературного обзора по теме диссертации, подготовке образцов для исследований, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, совместной с научными руководителями постановке цели и задач исследований, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 220 страниц состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 212 наименований. Работа содержит 81 рисунок и 22 таблицы.
Похожие диссертации на Влияние ионно- и электронно-пучковых воздействий на химический состав, морфологию и адгезионную прочность покрытий из молибдена или тантала на поверхности никелида титана
