Введение к работе
Актуальность работы. Повышение служебных свойств поверхности традиционно їтся одним из наиболее перспективных направлений материаловедения ввиду той осо-)оли, которую играет поверхность при формировании служебных 'свойств инструмента іелий различного назначения. В последние годы интерес к этой проблеме значительно )с благодаря интенсивному развитию новых электрофизических методов обработки помети. Поэтому в настоящее время наряду с такими традиїхиогаїьіми методами обработ-1К цементация, азотирование, внутреннее окисление, многочисленные способы нанесе-/тгрочняющих и защитных покрытий, интенсивно развиваются новые методы обработки рхности, такие как лазерное облучение, обработка мощными пучками заряженных час-пионов и электронов), высокодозная ионная имплантация (ИИ), совмещенные методы о-лучевой и ионно-плазменной обработки и т.д.
Новые перспективы модификации микроструктуры и свойств материалов, которые ываются при использовании указанных выше методов, связаны с возможностью реали-и новых высоконеравновесньгх фазово-структурных состояний, не ограниченных диа-мами состояний и недостижимых в традиционных технологиях поверхностной обра-и. Поэтому проблемы формирования таких состояний и их взаимосвязи с физико-ническими свойствами в настоящее время представляются весьма актуальными и нахо-і в центре внимания материаловедов.
В условиях высокодозной ИИ, вследствие относительно невысокой температуры об-тки и практически неограниченных возможностей ионно-лучевого легирования, не ис-!ено формирование широкого спектра высоконеравновесньгх состояний, таких как вы-неравновесные пересыщенные твердые растворы, сплошные нанофазные слои вторич-фаз, высокодефектные структурно-неравновесные состояния с высокой кривизной критической решетки, соединения элементов, несмешиваемых в твердой и жидкой фазе, фньгх фаз и т.д. Не менее благоприятные условия реализации высокодефектных термо-мически и структурно-неравновесных состояний могут быть достигнуты в условиях ю-плазменного синтеза фаз внедрения со значительно более низкой, по сравнению с ме-ами, эффективностью дислокационной и диффузионной релаксацией этих состояний, [ение таких состояний, закономерностей их формирования, эволюции и взаимосвязи с нением физико-химических свойств поверхности помимо важного прикладного значе-представляет значительный научный интерес в проблемах физики высоконеравновес-состояний и поведения материалов в различных условиях экстремального энергетиче-
0 воздействия.
Целью диссертационной работы является исследование закономерностей, физиче-: и структурных механизмов формирования новых высоконеравновесных фазово-ктурных состояний в материалах разного класса (металлы, керамика), выявление крите-
1 их реализации в процессе ИИ металлических мишеней и в высоконеравновесных усло-
; ионно-плазменного синтеза нитрида титана, в том числе в комбинации с низкоэнерге-
ским ионным облучением. Целью выбора в качестве объектов исследования высоконе-
ювесных ионно-модифицированньгх металлических сплавов и полученной ионно-
плазменным синтезом керамики TiN было экспериментальное обоснование формировани условиях подавления дислокационной и диффузионной релаксации внутренних напря: ний и их моментов аналогичных дислокационно-дисклинационных дефектных субструкту Для достижения этой цели в работе последовательно решались следующие задачи:
-
Выявление наиболее важных механизмов структурно-фазовой модификации в услові высокодозной ИИ, совмещенной с эффектами взаимодействия поверхности с элементе газовой среды; основных параметров лучевой обработки, контролирующих реализацию у механизмов, и процессов формирования новых неравновесных структурно-фазовых сост ний.
-
Изучение последовательности структурных и фазовых превращений в поверхность слоях молибдена в процессе их аморфизации при высокодозной ИИ кремнием в зависи: ста от режимов лучевой обработки и расстояния от поверхности мишеней. Анализ на э' основе физических и структурных механизмов твердофазной аморфизации при ИИ.
3. Исследование особенностей высокодефектной дислокационно-дисклинациош
структуры в ионно-плазменных покрытиях TiN в субмикрокристаллическом состояни
выявление таких ее наиболее важных параметров, как характер распределенных деф
тов, уровня и распределения внутренних напряжений.
4. Сравнительное исследование ионно-плазменных покрытий нитрида титана, синтези
ванных в атмосфере молекулярного азота и в комбинации с облучением низкоэнергета
скими ионами газоразрядной плазмы, с анализом особенностей их сопряжения в зоне к
такта с матрицей, изучением закономерностей его изменения, размеров нано- и субмикр
ристаллов и характера дефектной субструктуры при увеличении толщины покрытий.
Научная новизна.
-
Впервые проведено систематическое электронномикроскопическое исследование закс мерностей структурных превращений в процессе высокодозной ИИ сталей и сплавов на нове молибдена в целенаправленно контролируемых условиях ионно-стимулированн взаимодействия мишеней с реактивными элементами газовых сред имплантеров. Устаї лена определяющая-роль механизмов баллистического ионного перемешивания и радиа онно-стимулированной диффузии в модификации микроструктуры и свойств поверхн< ных слоев в этих условиях; выявлены наиболее важные параметры лучевой обработки * тролирующие их эффективность.
-
Обнаружено, что в указанных выше условиях результатом эффективного подавления г цессов дислокационной и диффузионной релаксации высоких внутренних напряжений і градиентов (моментов), является формирование широкого спектра новых фазе структурных состояний: высокоэнергетических дефектных субструктур с высокой кри ной кристаллической решетки; термодинамически неравновесных фаз внедрения; нано і сталлических сплошных слоев неметаллических фаз, многослойных композиций указан состояний. Изучены закономерности, выявлены условия и структурные механизмы фор рования этих состояний. Показана возможности их реализации при значительно более ких, по сравнению с традиционной ИИ, дозах облучения.
Зпервые обнаружено аморфное состояние с анизотропией функции радиального рассея-i электронов, наследующей анизотропию исходного кристаллического состояния. Ука-ная особенность дает возможность описания аморфного состояния как субнанокристал-іеского с размерами кристаллитов (кластеров) < 1 нм. Сделан вывод о твердофазном дис-шационном механизме аморфизации в предварительно подготовленном высокодефект-л нанофазном состоянии.
3 объеме субмикрокристаллов нитрида титана обнаружено новое высокснеравновесное уктурное состояние с высокой континуальной плотностью дисклинаций. Обнаружена іструктура с высокой плотностью частичных дисклинаций, локализованных в границах ен высокодефектных субмикрокристаллов.
/становлено, что одновременное с напылением облучение ионами низкоэнергетической оразрядной плазмы приводит к резкому снижению плотности структурных дефектов слокаций, частичных дисклинаций) в объеме и на границах зерен субмикрокристаллов ридной фазы, предотвращает формирование высоких локальных внутренних наггряже-і, обеспечивает существенное повышение пластичности нитридных покрытий.
топическая ценность.
іовьіе фазово-структурные состояния, формирующиеся в процессе ИИ в комбинации с шо-стимулированным взаимодействием поверхности с реактивными элементами газовой ды, значительно расширяют технологические возможности ионно-лучевой обработки. ;периментальное обоснование возможности кратного повышения производительности шо-лучевой модификации трибологических свойств сталей при использоваїши вакуум510" овых иютульсных имплантерах в результате адсорбции и баллистического ионного пе-[епгивания адсорбированных на поверхности мишени элементов газовых сред, импланте-
'езультаты исследования тонкой структуры субмикрокристаллов TiN в различных усло-х их ионно-плазменного синтеза представляют значительный интерес для разработки іьгх вакуумно-дуговьгх технологий их напыления, в том числе в комбинации с низкоэнер-ическим ионным облучением. защиту выносятся следующие положения:
і условиях ИИ на высокопроизводительных имплантерах технологического назначения в естве важнейших механизмов формирования в поверхностном слое широкого спектра іспективиьгх в технологическом отношении нанофазньгх, аморфных и аморфно-істаллических структурных состояний выступают баллистическое ионное перемешивание юнно-стимулированная диффузия адсорбированных на поверхности элементов газовой ды имплантера, а основными факторами, контролирующими действенность этих меха-мов, является состав газовой среды, химическая активность материала мишени к реак-ным элементам этой среды, температура лучевой обработки и атомные размеры (масса) тлантируемых ионов.
Іовьіе высокодефектные структурно-неравновесные состояния формируются при ИИ и в іцессе ионно-плазменного синтеза нитрида титана как результат достижения высоко-ічньгх структурных состояний и эффективного подавления процессов дислокационной
релаксации генерируемых в этих состояниях высоких внутренних напряжений и их фадие тов (моментов). Дислокационные и хшсклинационные модели высокодефектных состояниі объеме и на фаницах зерен.
-
Последовательность структурно-фазовых состояний в ходе твердофазной аморфизац молибдена при ИИ кремнием с формированием на промежуточных стадиях аморфизац нового структурного состояния с высокой анизотропией функции радиального рассеян электронов, наследующей анизотропию исходного кристалла. Экспериментальное обосі вание дисклинационного механизма твердофазной аморфизации и субнанокристаллическ модели аморфного состоянии.
-
Явление релаксации высокоэнергетических дефектных субструктур и связанных с ниі высоких внутренних напряжений в субмикрокристаллах ионно-плазменных покрытий ш рида титана в условиях их одновременного с напылением облучения ионами низкоэнергеп ческой газоразрядной плазмы. Повышение пластичности нитридных покрытий в этих уст виях.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: Всероссийской конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучка: заряженных частиц" (Томск, 1994); XTV Международной конференции "Физика прочностт пластичности" (Самара, 1995); I Международном симпозиуме по пучковым технологи (Дубна, 1995); Fall Meeting of the Materials Research Society (Pittsburgh, 1995); Межотрас; вой конференции "Покрытия, упрочнение, очистка. Экологические технологии и оборудої ниє." (Москва, 1995); IV Всероссийской конференции "Модификация свойств конструкі оннъгх материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1996). Опубликованы тезисы сборниках информационных материалов этих конференций.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, список которых привед в конце автореферата.
Построение и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, чет рех глав и общих выводов по работе; содержит 50 рисунков, 9 таблиц и список цитируем литературы из 151 наименования. Общий объем диссертации 204 страницы.
Похожие диссертации на Высоконеравновесные фазово-структурные состояния в металлических сплавах после ионной имплантации и в ионно-плазменных покрытиях нитрида титана
