Ионные пучки

Традиционно воздействие ионов на материалы с целью модифицирования последних ассоциируется с процессом ионной имплантации, при которой используется непрерывный поток ионов, ускоренных до определенной энергии. В зависимости от кинетической энергии имплантируемых ионов различают низкоэнергетическую ионную имплантацию (энергия ионов до 100 кэВ), имплантацию ионов средних энергий (от 100 кэВ до 1 МэВ), а также высокоэнергетическую (энергия ионов выше 1 МэВ) ионную имплантацию [55].

В результате ионной имплантации ускоренные ионы внедряются в поверхностный слой материала, создавая в нем каскады атомных смещений, что приводит к генерации радиационных дефектов, которые, в свою очередь, создают условия для структурных изменений в имплантированном слое. Повышенная концентрация дефектов, в первую очередь вакансий, обусловливает радиационно-стимулированную диффузию имплантируемых ионов в поверхностном слое материала. По мере увеличения концентрации дефектов начинают происходить кооперативные процессы их коалесценции, приводящие к образованию микро- пор, в которых выделяются вторые фазы, в частности нитриды (при имплантации ионов азота), карбиды (при имплантации ионов углерода) и т. д.

В титане ионная имплантация осуществляется в двух направлениях - имплантация легких примесей (N, С, О) и имплантация тяжелых атомов металлов (Al, Mg и др.).

В работах [56, 57] было показано, что имплантация ионов азота с энергией 30-60 кэВ позволяет сформировать поверхностный азотированный слой толщиной 400-500 нм, причем максимальная концентрация азота достигается на глубине 200- 250 нм. Существенные структурные изменения в поверхностном слое титана происходят при дозах имплантируемых ионов 10¹⁶-10¹⁸ см ², при которых обнаруживается формирование азотсодержащих фаз - нитридов 5-TiN_v и 8-Ti₂N, а также твердого раствора внедрения a-Ti(N), и позволяют повысить микротвердость поверхностного слоя до 15-16 ГПа.

Авторами работы [58] было продемонстрировано повышение износостойкости поверхностных слоев титановых сплавов за счет имплантации ионов кислорода с энергией 180 кэВ при плотности ионного тока 10 мкА/см². Было показано, что при дозе ионов кислорода ниже 10¹⁸ см ² формируется поверхностный слой оксида титана ТЮ, а при дозе выше 10¹⁸ см^-2 - оксид титана ТЮ₂ (рутил).

В работе [59] осуществлялась имплантация в титан-цирко- ниевый сплав ионов алюминия с энергией 40 кэВ и плотностью ионного тока 2 мкА/см², что позволило сформировать поверхностный слой с включениями интерметаллида Ti₃Al. В результате этого микротвердость поверхностного слоя титан-циркони- евого сплава была повышена в 4,5-5 раз за счет дисперсионного механизма упрочнения.

К основным недостаткам ионной имплантации следует отнести малую глубину имплантированного слоя, которая, как правило, составляет ~ 1 мкм, и данный слой в процессе эксплуатации изделий в большинстве случаев изнашивается на первых стадиях испытаний. Для достижения значительной степени модификации металлов необходимо использовать большие дозы облучения, превышающие 10¹⁸-10¹⁹ см^-2, что увеличивает длительность процесса ионной имплантации.

В последнее время было продемонстрировано использование потока ускоренных ионов с целью ионного перемешивания (имплантация атомами отдачи), основной принцип которого заключается в предварительном нанесении на поверхность образца тонкого слоя другого металла, толщина которого меньше средней длины пробега ионов в нем [60-62].

Такой способ позволяет повысить концентрацию легирующего элемента в поверхностном слое основного материала вследствие снижения интенсивности процесса ионного распыления поверхностного имплантированного слоя. Также метод ионного перемешивания позволяет проводить одновременное многокомпонентное внедрение легирующих атомов из многослойных пленок в различной комбинации, что способствует повышению эксплуатационных свойств материалов.

В работе [63] предложены основные модели, позволяющие описать процесс ионного перемешивания материалов. Наиболее разработанной считается баллистическая модель, которая учитывает кинетическую энергию налетающих ионов и их упругое столкновение с атомами мишени, в результате чего происходит проникновение последних на определенную глубину.

Недостатком метода ионного перемешивания, так же как и ионной имплантации, является малая толщина легированного слоя. Так, при перемешивании пленки вольфрама толщиной 45 нм на быстрорежущей стали ионами криптона с энергией 340 кэВ вплоть до дозы 310¹⁶ см^-2 перемешанная область составляет 40 нм в объеме образца [64].

Принципиально новым подходом в области модифицирования материалов потоком ионов является использование высокоинтенсивных (мощных) импульсных ионных пучков (МИП) (high-intense pulsed ion beams, HIPIB), которые характеризуются относительно малой длительностью импульса - от десятка наносекунд до единиц микросекунд. Плотность энергии, передаваемая поверхностному слою материала, при этом составляет несколько Дж/см². Обработка МИП материалов обычно производится при энергии ионов 150 кэВ - 1 МэВ [65-68].

Воздействие импульсными МИП объединяет особенности лазерной обработки с некоторыми особенностями ионной имплантации, так как характеризуется и тепловым воздействием, и дополнительным легированием материала.

Специфика воздействия МИП на поверхность твердого тела обусловливает сложный характер физико-химических процессов, протекающих в поверхностном слое обрабатываемого материала. Воздействие МИП приводит в общем случае к нагреву, плавлению и частичному испарению поверхностного слоя; частичной конденсации образующегося пароплазменного облака на облучаемой поверхности [69]. В этом случае скорость охлаждения поверхностного слоя составляет 10⁷-10¹⁰ К/с, в результате чего в нем происходит формирование аморфных слоев и образование метастабильных фаз.

Особенностью воздействия МИП является формирование в обрабатываемом материале ударных волн, давление на фронте которых достигает 10¹⁰ Па. Под действием таких волн в глубине образца происходят измельчение зерен, генерация дислокаций, плотность которых достигает 10¹¹ см^-2, что в совокупности обеспечивает упрочнение изделия. Эти эффекты наблюдались в слоях материалов, которые на несколько порядков превосходят глубину пробегов ионов при воздействии МИП, что указывает на проявление «эффекта дальнодействия» [70, 71].

При обработке титановых сплавов МИП эффективными являются пучки легких ионов (водород, углерод, азот и др.), поскольку они имеют существенно большие пробеги, чем тяжелые ионы.

В работах [72, 73] была показана перспективность применения МИП при обработке титановых сплавов с целью модифицирования морфологии их поверхности. Так, при воздействии на титановый сплав ВТ1-0 МИП, в состав которых входят ионы углерода с энергией 220 кэВ и длительность импульса которых составляет 50-70 нс, при плотности ионного тока 60-250 А/см² снижается шероховатость поверхности от 0,15 до 0,06 мкм.

Работы [74, 75] посвящены применению МИП с целью повышения износостойкости поверхностного слоя титановых сплавов. В этом случае за счет скоростного охлаждения поверхностного слоя происходят измельчение его зеренной структуры, а также повышение концентрации дефектов, в результате чего было замечено увеличение микротвердости до 4-5 ГПа.

К недостаткам технологии обработки титановых сплавов МИП можно отнести формируемые на поверхности кратеры [76]. Природа возникновения таких кратеров изучена еще не до конца, однако существуют модели кратерообразования, основывающиеся на локальном нагреве участков поверхности с отличающимся химическим составом. Формирующиеся кратеры являются концентраторами внутренних напряжений, что может приводить к разрушению поверхностного слоя в процессе эксплуатации изделий.