К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Так, молибден в алюминии практически нерастворим (примерно 0,02 % по маасе при 500 'С), а в результате ионной имплантации в поверхностном слое алюминия образуегая сплав, содержащий 25 % молибдена. При этом повышаегся стойкость алюминия к пипннговой коррозии. Растворимость тантала в железе состаюиет всего 0,15 ат.% при температуре 800 'С, а при 20 С падает до нуля, Имплантация ионов Та+ в Ре при 20 'С позволяет получить в поверхностном слое железа твердый раствор, содержащий более 10 ат.% тантала. С помощью ионного легирования получены пересьпценные твердые растворы, метасгабильные интерметаллические соединения, равновесные сплавы и аморфные фазы. Дозы ионов при имплантации в металлы иа 1 - 3 поркдка превышают дозы при легироваиии полулроводниковых материалов и соспеляют 10'ь - 10гэ см з.
При таких высоких лозах в подложке возникают механические напряжения, которые в зависимости от их характера могут оказывать воздействие на свойства металлов. Так, воздействие сжимающих напряжений в металле при имплантации ионов аналогично воздейстюпо дробеструйной обработки поверхности.
Модификация поверхностных свойств ми атакам понентиых материалов, таких как стали и сплавы, ыожет быль обусловлена не только импланпщией ионов примеси, но и перераспределением компонентов спшаа под действием ионной бомбардировки в результате радиационно-нндуцированной сегрегации, характерный диапазон температур дяя которой обычно составляет 0,2 - 0,6 от температуры плавления. Этот процеас, стимулированный РСД, приводит к появлению концентрационных гразыелтов и образованию неравновесных преципитатов.
Так, в высоконикелевом сплаве после облучеши ионами Н+ было обнаружено обогащение поверхностного слоя хромом, хотя сописно современным модювгм, он долхен бьп переместиться в глубь мишени. Обратный эффект вызван поступлением в поверхностный слой кислорода из остаточных газов вакуумной камеры ускорителя и большим химическим сродством хрома к кислороду, обогащение поверхности хромом повышает коррозионную стойкосп материалов в кислых средах. Еще одним вюкным достоинапюм ионной имплантации в металлы яюиегся возмож- .
ность их улрочнения путем изменении струк- Глана 2.4. ИОННАЯ ИМНЛАНТАНИЯ туры поверхности в процессе бомбардировки. В этом случае в ошичие от всех других методов упрочнения наблюдаетая отсутствие резкой границы перехода меваеу упрочненным поверхносппям слоем и обьемом металла. Применяеюя ионная имплантация и для улучшения вдшзии между покрытием и основой, она является оптимальным методом для упрочнения, например, сверхпрочных инструментов и деталей, поакальку не изменяет их геометрических размеров и формы. При этом в поверхность могут быль внедрены ионы элементов, играющих роль твердой смазки. Первые данные о возможной и целенаправленной модификации свойств металлов- повышении их износостойкости, микротвердости и коррозионной стойкости - с помощью ионной июпаншции появились в конце 50-хначале 60-х ~адов, т.е.
приблизительно в то же время, когда были достигнуты первые результаты по легярованию полупроводников. Дальнейшее развитие имплантацнонной металлургии авязано с применением ионной имплантации в металлы дпя направленного изменения их поверхностных свойств с целью увеличения микротвердостн, износостойкости и радиационной стойкости, увеличения сопротивления устапостному разрушению, уменьшения коэффициента трения, управления химическими свойствами, оптическими и сверхпроводшцими эффектами на поверхности металлов. Имплантация ионов в металлах используется также для формирования и исследования необычных метастабильных структур. Применение ионной имплантации с последующей термообработкой имплантнрованных слоев позволяет определять константы диффузии, растворимость одного материагы в другом как функцию температуры, эипшьпию и энтропию реакций, а также свойства равновеаных фаз.
Имплантация ионов в металлы может быль тиске использована для изменении. механизмов коррозии, изнашивания н других поверхноспгых процессов. Профили распределения примеси в металлах опиаываотся гаусаовым распределением. Однако при образовании большого числа радиационных дефектов перенос вещества под действием радиационно-стимулированной диффузии при послеимплантационном опкиге или внедрении в нагретую подложку приводит к появлению "хвостов" распределения, проникающих в глубь мишеней. Прн имплантации ионов В+ а дозой 101е см 2 и энергией 40 кэВ в сталь 09Х16Н15МЗБ при температуре 600 'С (рис. 2.4.7) максимальная концентрация бора у поверхности состаюшет 70 ат.%. Имплантированный слой состоит из боргша железа РеВ, причем излом на кривой распределешш бора соответствует границе раздела между двухфазными и однофазными областями.
Такая кар- ф,сл Е ею [ е оа о~ аг оз х,лом Рве. 2.4.7. Раовредезеаве вана бора в коррозвоаво- стойкой стезя 09Х16Н15МЗБ 1т=йеэ С,О=го|о -е,й=оаозВ) тина наблюдается, если в поверхностном слое металла образуется пересыщенный твердый раствор. В этом слое происходит на первом этапе отхппа выделение прецицитатов растворенного вещества до тех пор, пока концентрация его не уменьшится до предела раапюримости.
На втором этапе происходит уменьшение концентрации вторичной фазы и перенос растворенного вещества в однофвзный металл, чему соответствует изменение профиля распределения: уменьшение лика в приповерхностной области и появление "хвоста". Третий этап отжита соотвегатвует однофазному аостоянию с последующим изменением концентрационного профиля. КоэфФициент радиационно-стимулированной диффузии определяетая скоростью генерации точечных дефектов и, следовательно, интенсивностью ионного пучка, а не энергией ионов. Распределения примеси при больших и малых дозах облучения существенно различаются.
Если югияние РСД мало, то раапределение примеаи цо глубине описываетая функцией ВиЛа егуа((х — йр),~26й ~) н ехр[-Ях~()ра)))], где о' - коэффициент распыления; / - плотносп ионного тока; Лга - концентрация атомов в едишще объема юцпени; Ю - коэффициент диффузии примеси. Профиль раапределения зависит от раапыления атомов без диффузии или вместе с термической диффузией. Если же влияние РСД велико, то распределение примеси можно описшь функцией ехр[-7 ехр[(х — !)/2,4]] и в зависимоати от диффузионной длины дефеки е,о и величины 7 глубина проникновения иона 7 может возрасти в 102 раз по сравнению с длиной проекции пробега иона: НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ где 1)7 - коэффициент самодиффузии; 7) - число дефектов на один падающий ион.
Концентрация примеси в насыщении максимальна на поверхности облучаемого материала. Профили распределения имплантированных ионов и их максимальная концентрация зависят не только от режима имплантации, но и от типа христэллической решетки и химического состава облучаемого материала. Тяжелые ионы с энерпими в несколько десатков лли союн кэВ имеют небольшие пробеги в мишени, но могут вызывать значительное раапыдение материала подложки. Поэтому предельные дозы облучения тджелымн ионами (Олвед = Ф0ЯО / Я невелики и Уменьшаются с ростом дозы внедряемой примеси. Но полная концентрация примеси тем не менее возрастает благодаря проникновенюо ионов иа большую глубину под действием радиационно-стимулированной диффузии.
Таким образом, РСД увеличивает предельную дозу имплантации, при сильной РСД это может быль увеличение на несколько порядков. Обработка поверхности мишени, приводюцая к уме ньшеншо коэффициента распыления, способствует увеличению концентрации имплантированной в метали примеси. Ионная имплантация открывает большие возможности улрочнення поверхностных слоев металлов и сплавов путем перевода их поверхностей в аморфное состояние.
Известно, что некристаллические фазы в металлических сплавах формируются путем бмстрого охлюхдения до твердого состояния жидкой или шзообразной фазы. Скорость закалки из жидкой фазы 104 - 10з К/с. Процесс соударений в плотных каскадах при определенных режимах облучения тяжелыми ионами макно рассматривать как термические пики. При этом скорость закалки в термическом пике в условиях имплантации будет примерно составлять 1074 К/с. Аморфизировать сплавы мозно лишь при специальном подборе комбинаций ион - метеля, поскольку на процесс аморфизации оказывает влияние тип связи атомов в твердом теле.
Аморфизация поверхности различных металгов (А1, Со, Щ Ре и др.) легко достигается при имплантации в них ионов металпоидов (В+, Р+, Аа+). Образование аморфной фазы было также зафиксировано при бомбардировке ионами %+, Та+, Ап+, Пу+ некоторых металлов и коррозионносгойкой стали. В этом случае либо происходит локализованная закалка микроскопических объемов, перекрытие которых приводит к аморфизации поверхности, либо аморфизации способствует присутствие таких примесей, как углерод.
Практическое использование имплантации ионов в металлы и сплавы идет по ряду направлений. Во-нерваль возможно существенное повьппенне их коррознолмой стойко- О ае ФО 4О ОО IОО 7 Рае. 2.4.8. Зааасвмаегь аюрэе7а керээзэа та» стала 12Х(ЗН16Т асхад»76 (1), мэававтаээваввэй аевама Ме+ (2) а Ц7+ (3) а Раетаере 26%-аей Нзяок эг еремеев выдержав г сти, особенно к пкпинговой коррозии. Например, широко используемая в промьшшенности сталь 12Х18Н10Т, обладающая вмсокой стойкостью в неокислнтельных растворах, чувстипельиа к не ко тормм агрессивным анионам, в частности хлору, вызывающему плтппповую коррозию.
Легнрование ее молибденом и вольфрамом улучшает ее стойкость к пятницу (рис. 2.4.8). Стойкость к коррозии достигается как путем аморфизации поверхности, так и путем введения легирующшо элемента, склонного к самопассивации. Если в аморфном металлическом сплаве концентрашш 7впюного пассиватора велика, в резуллите отсутсшня межзеренных границ пассивирующая пленка непрерывна. Во-вторых, изменяются механические свойства металлов и сплавов, их микротвердость, износостойкость, устало стная прочность. Повышение мнкротвердости при ионном легировании связано 'с взаимодействием атомов примеси и радиационных дефектов, возникающих при облучении. Эффект зависит от дозы, энергии, плотности ионного тока, температуры и вида ионов (рис. 2А.9), Н, ка/им а д йЮ 4ОР,А дгк7(/Она Рае. 2АВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
