Особливості структурного стану та фізико-механічні властивості сплавів на основі Ti, Al та Ni після подвійної іонної імплантації

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 669.295.539.121.537.534

ОСОБЛИВОСТІ СТРУКТУРНОГО СТАНУ ТА ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ СПЛАВІВ НА ОСНОВІ Ti, Al та Ni ПІСЛЯ ПОДВІЙНОЇ ІОННОЇ ІМПЛАНТАЦІЇ

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Маліков Леонід Васильович

Суми 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Науковому фізико-технологічному центрі МОН та НАН України, м. Харків.

Науковий керівник доктор технічних наук, старший науковий співробітник Береснєв В'ячеслав Мартинович, Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Соболь Олег Валентинович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», старший науковий співробітник кафедри фізики металів та напівпровідників

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Литвиненко Володимир Вікторович, вчений секретар Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України

Захист відбудеться 18 грудня 2009 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 55.051.02 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, корпус ЕТ, ауд. 236.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розіслано «09» листопада 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.С. Опанасюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення вимог до виробів, що застосовуються у авіаційній та медичній галузях породжує необхідність створення нових матеріалів з особливими фізико-механічними властивостями. Такі матеріали можливо отримати методами модифікації поверхні шляхом іонної імплантації, яка інтенсивно застосовується в останній час. Іонна імплантація є процесом термодинамічно нерівноважним, що дозволяє формувати у приповерхневих шарах матеріалів різні сполуки та тверді розчини, які неможливо отримати традиційними методами. Постійний інтерес до досліджень фазових та структурних перетворень у приповерхневих шарах матеріалів після іонної імплантації обумовлений бажанням з'ясувати притаманні їм унікальні властивості. Серед матеріалів значний інтерес, завдяки своїм властивостям, набули титан та його сплави, які широко використовуються у різних галузях сучасного виробництва, що обумовлює необхідність дослідження титанових сплавів при послідовній імплантації іонів газів та металів. Застосування одинарної імплантації (іонів газу або металу) не дозволяє у повній мірі підвищити якісні характеристики виробів з титану в екстремальних умовах експлуатації.

Звідси виникає задача з'ясування механізму впливу подвійної імплантації на структурні та фазові перетворення, які відбуваються у приповерхневих шарах. У зв'язку з цим дослідження структури, елементного складу, фазових та морфологічних змін, які відбуваються у приповерхневих шарах титанових сплавів марки ВТ-6, ВТ-22 і TiNi після подвійної іонної імплантації, що спричиняє поліпшення їх фізико-механічних властивостей, є актуальною та важливою задачею фізики твердого тіла.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у Науковому фізико-технологічному центрі МОН та НАН України у рамках держбюджетних тем: № 0106U000715 «Дослідження фізико-хімічних властивостей наноструктур, сформованих іонно-плазмовими методами» (2006-2008 рр.); № 0107U002295 «Теоретичні та експериментальні дослідження плазмових методів синтезу композиційних наноструктур з прогнозованими властивостями» (2007-2009 рр.). Здобувач брав участь у дослідженнях на рівні виконавця.

Мета роботи і задачі досліджень. Метою роботи є вивчення закономірностей фазових і структурних змін у приповерхневих шарах, а також їх вплив на фізико-механічні характеристики титанових сплавів ВТ-6, ВТ-22 та TiNi після подвійної іонної імплантації.

Для реалізації даної мети у роботі розв'язані такі задачі:

- вивчено вплив подвійної іонної імплантації на зміни морфології поверхні, елементного та фазового складів у приповерхневих шарах сплаву TіNi при імплантації N⁺, N⁺ + Nі⁺, Mo⁺ + W⁺, а для титанових сплавів BT-6 і BT-22 при імплантації іонами Mo⁺ + W⁺, в залежності від фізичних параметрів імплантації (енергії, дози, потоку іонів);

- досліджені особливості розподілу імплантованих іонів за глибиною шару зразка для випадку подвійної імплантації систем «важкий іон» ? «важкий іон» та «легкий іон» ? «важкий іон»;

- зіставлені експериментальні результати розподілу імплантованих елементів з теоретичними розрахунками;

- досліджено вплив структурного стану матеріалів титанових сплавів після іонної імплантації на їх фізико-механічні характеристики.

Об'єкт досліджень ? структурно-фазові перетворення та зміни фізико-механічних властивостей, що відбуваються в приповерхневих шарах титанових сплавах ВТ-6, ВТ-22 та TіNi, після подвійної іонної імплантації.

Предмет досліджень ? морфологія поверхні, елементний і фазовий склад у поверхневих шарах, розподіл атомів за глибиною, дифузія імплантованих іонів, фізико-механічні характеристики сплавів на основі титану ВТ-6, ВТ-22 та TіNi після імплантації іонів різних типів.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше встановлено, що послідовна подвійна імплантація іонів N⁺ та Nі⁺ з енергією 60 кеВ в TіNі призводить до формування немонотонного профілю розподілу іонів азоту. При цьому спостерігаються два максимуми концентрації іонів ? один поблизу поверхні (максимальна концентрація 36,0 aт. %), а другий розташований на глибині понад 100 нм (з меншим вмістом азоту ? 27,0 aт. %). В проміжку між двома максимумами профілю концентрації N⁺ спостерігається максимум концентрації іонів Nі⁺.

2. З'ясовано, що імплантація іонів N⁺ до дози 10¹⁸ cм^-2; N⁺ та Nі⁺ до дози (10¹⁷ч10¹⁸) см^-2; Mo⁺ і W⁺ до дози (2ч5)10¹⁷ см^-2 змінює фазовий склад і мікроструктуру приповерхневих шарів TіNі за рахунок формування інтерметалідних фаз на основі титану, призводить до зменшення розміру кристалітів та збільшення концентрації радіаційних дефектів. При цьому підвищується твердість приповерхневих шарів TіNі від 4,1 ГПа до 7,7 ГПа та ефективне відновлення механічних властивостей при нагріванні пружно-деформованого матеріалу.

3. Вперше для випадку подвійної іонної імплантації Мо⁺ і W⁺ у титановий сплав ВТ-6 досліджено вплив температури підкладинки при імплантації, а також наступного відпалювання, на розподіл імплантованих елементів за глибиною. Показано, що при температурі відпалювання 823 К має місце дифузійне розмиття розподілу імплантованих елементів Мо і W, що дозолило здійснити розрахунки ефективних коефіцієнтів дифузії, які відповідно мають значення D_Mо 2,810^-12 м²/с і D_W 10^-13 м²/с.

4. Уперше встановлено, що насичення на кривій розподілу елементів Mo і W у титановому сплаві ВТ-22 в експерименті відбувається повільніше, ніж передбачається теоретичними розрахунками. Особливо це проявляється при імплантації іонів з високою густиною потоку та імпульсним характером опромінення.

5. Виявлено, що імплантація іонів азоту у сплав TiNi призводить до підвищення температури мартенситного перетворення фаз в₂ (ОЦК) в₁₉ (ромбічна ґратка). іон імплантація сплав фазовий

Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень, наведені в дисертації, мають важливе практичне значення для таких галузей науки, як фізика поверхні, радіаційна фізика, фізика твердого тіла. Дослідження особливостей морфологічних змін, процесів перерозподілу за глибиною імплантованих елементів та структурно-фазових перетворень в приповерхневих шарах титанових сплавів можуть бути використані для цілеспрямованої модифікації фізико-механічних властивостей поверхні при промисловому застосуванні.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації безпосередньо брав участь у виготовленні зразків, проводив дослідження фазового складу, морфології поверхні, здійснював вимірювання мікротвердості поверхневих шарів титанових сплавів, а також розрахував коефіцієнти дифузії. Автору належить визначна роль при написанні 6-го розділу [1], статей [2, 3, 4, 5, 6] та тез доповідей до збірників праць Міжнародних наукових конференцій [7-12].

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на таких наукових конференціях: 7-ма Міжнародна наукова конференція «Взаємодія випромінювання із твердим тілом» (Мінськ, Білорусія, 25-28 вересня 2007 р.); ХVІІІ Міжнародна наукова конференція «Радіаційна фізика твердого тіла» (Севастополь, Україна, 7-12 липня, 2008 р.); 11^th Іnternatіonal Conference on Plasma Surface Engіneerіng ? PSE 2008, (September 15-19, 2008, Garmіsch-Partenkіrchen, Germany); 9^th Іnternatіonal conference on modіfіcatіon of materіals wіth partіcle beams and plasma flows (Tomsk, Russіa, 21-26 September, 2008); VІІ^th Іnternatіonal Conference «Іon іmplantatіon and other applіcatіons of іons and electrons» ІON-2008 (June 16-19, 2008, Kazіmіerz-Dolhy, Poland); 8-ма Міжнародна наукова конференція «Взаємодія випромінювання із твердим тілом» (Мінськ, Білорусія, 23-25 вересня 2009 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковані 12 робіт, у тому числі 1 навчальний посібник у співавторстві, 5 статей у наукових спеціалізованих журналах, які входять до переліку ВАК і видаються в Україні або за кордоном, 6 тез доповідей на Міжнародних наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 4 розділи, загальні висновки і перелік використаної літератури. Загальний обсяг дисертації складає 138 сторінок, містить 57 рисунків і 27 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, наукова новизна і практична значимість отриманих результатів, наведені дані про особистий внесок здобувача, ступінь апробації роботи, публікації та структуру роботи.

У першому розділі «Модифікація титанових сплавів за допомогою іонної імплантації (літературний огляд)» проаналізовані фізичні закономірності формування іонно-імплантованих шарів, висвітлений сучасний стан проблеми модифікації поверхні титану і титанових сплавів за допомогою потоків іонів (іонна імплантація) та досліджено зміни фізико-механічних властивостей, яких набувають матеріали у результаті застосування даної технології.

У першому підрозділі розглянуті фізичні фактори, що визначають структурно-фазовий стан іонно-імплантованих систем. Виділені ті, що визначають зміну цього стану імплантаційних систем та їх взаємозв'язок з умовами обробки: параметри пучка іонів, якими бомбардують (тип, енергія, доза); концентрація імплантованих домішок і дефектів за глибиною зразка; рухливість імплантованих іонів і атомів твердого тіла. Проведено аналіз діаграм стану системи легуючий елемент ? модифікований матеріал (кристалічна структура фаз, області їх існування) та можливості формування різних метастабільних фаз.

У другому підрозділі проаналізовані структурно-фазові перетворення у приповерхневих шарах і властивості титанових сплавів після іонної імплантації. Відомо, що титан і його сплави мають низький модуль пружності, схильні до абразивного зношування та формування вибоїв при ерозійному впливі, а також чутливі до концентраторів напружень, якими виступають поверхневі дефекти. Аналіз літературних даних свідчить, що модифікація титану і його сплавів шляхом іонної імплантації призводить до структурно-фазових перетворень у приповерхневих шарах, утворення нових хімічних сполук, твердих розчинів, вторинних фаз, аморфних структур, які поліпшують фізико-механічні властивості матеріалів та експлуатаційні характеристики виробів на їх основі. Ґрунтуючись на проведеному аналізі, сформульовані мета дисертаційної роботи та основні завдання досліджень.

У другому розділі «Обладнання для іонної імплантації, матеріали й методи досліджень властивостей іонно-імплантованих систем» описані експериментальні методики, які застосовувалися для дослідження зразків з титану та його сплавів, умови підготовки зразків. Наведено дані хімічного аналізу титанових сплавів ВТ-6, ВТ-22 і TіNі. Системи імплантованих елементів вибиралися виходячи з умов, що для сплавів ВТ-6, ВТ-22 іони Mo⁺ і W⁺ мають значну атомну масу у порівнянні з Tі, що дає можливість легко їх розпізнати при проведенні структурно-фазових досліджень, важливих для розширення фізичних уявлень про вплив іонної імплантації важкими елементами на формування приповерхневих шарів. Для сплаву TіNі з властивістю пам'яті форми імплантація іонами N⁺, N⁺+Nі⁺ дає можливість з атомами титану створювати хімічні сполуки, такі, наприклад, як нітрид титану з високими фізико-механічними властивостями та зі збереженням властивості пам'яті форми, що розширює їх можливості при застосуванні в медицині, космічній і авіаційній галузях.

Для імплантації іонів N⁺ застосовувалося газове джерело ІMJON виробництва Інституту фундаментальних технологічних досліджень Польської Академії наук (м. Люблін), а для імплантації іонів Nі⁺, Mo⁺ і W⁺ використовувалося вакуумно-дугове джерело «Діана-2» виробництва Інституту фізики міцності та матеріалознавства РАН (м. Томськ).

Рельєф поверхні досліджувався методом растрової електронної мікроскопії за допомогою приладів РЕМ-103-Е і РЕМ-103-01, виробництва фірми SELMI (Україна). Також використовувався оптичний мікроскоп Neophot-2 виробництва фірми Carl Zeiss (Німеччина). Визначення елементного складу приповерхневих шарів здійснювалося декількома методами ? на растровому електронному мікроскопі за допомогою енергодисперсійного спектрометра ЕДС-2 та на скануючому оже-електронному спектрометрі (AES) PHІ-660 фірми Perkіn Elmer (Швейцарія). Дослідження розподілу концентрації елементів у приповерхневих шарах титанових сплавів проводилося методами резерфордівського зворотного розсіювання (РЗР). Дослідження фазового складу приповерхневих шарів проводилися методом малокутового розсіювання на рентгенівському дифрактометрі D8 Advance виробництво фірми Bruker AXS (Німеччина). Температура фазових перетворень визначалася за допомогою диференціального скануючого калориметра DSC Pyrіs-1 виробництва фірми Perkin Elmer (Швейцарія). Вимірювання механічних властивостей та ефекту пам'яті форми проводилося за допомогою мікроіндентора з алмазною пірамідкою зі стороною 40 нм при навантаженні 4, 7, 13, 16, 20 Н, а також з використанням растрового (скануючого) профілометра Talysurt-5-120 виробництва фірми Taylor Hobson (Великобританія). Випробування нанотвердості проводилися на установці із тригранною пірамідкою Берковича нанотвердоміром Nano Іndentor ІІ виробництва MTS System Corparatіon (США).

У третьому розділі «Вплив подвійної іонної імплантації Mo⁺ і W⁺ на фазовий та елементний склад приповерхневих шарів титанових сплавів ВТ-6 і ВТ-22» наведені результати досліджень морфології, елементного складу та особливостей формування в приповерхневих шарах матеріалу нерівноважного структурно-фазового стану. Наведені результати досліджень фізико-механічних властивостей сплавів. Аналіз мікрофотографій поверхні зразків із ВТ-6 і ВТ-22 після подвійної імплантації іонів молібдену і вольфраму, свідчить, що рельєф поверхні не змінюється. Результати дослідження елементного складу приповерхневих шарів зразків сплаву ВТ-6 за допомогою РЗР наведені в табл. 1. Окрім елементів, що входять до сплаву, та імплантованих іонів Мо⁺ і W⁺, виявлені також домішки кисню та вуглецю, що надходять із залишкової атмосфери вакуумної системи та адсорбовані поверхнею металу в процесі іонної імплантації. Домішкові атоми вуглецю та кисню в основному знаходяться у приповерхневих шарах. На глибині 8,5 нм максимальна концентрація вуглецю досягає 25,6 ат. %, а кисню 14 ат. %.

Таблиця 1

Концентрація елементів за глибиною зразків ВТ-6 (доза імплантації 510¹⁷ см^-2)

Глибина, нм	Концентрація елементів, aт. %
	W	Mo	Fe	V	Ti	Al	O	C
8,5	11,0	8,0	0,9	3,5	30,0	7,0	14,0	25,6
22,4	7,0	27,3	0,9	3,6	53,1	8,1	0	0
36,4	0,8	12,1	1,0	4,1	73,3	8,7	0	0
74,0	0,2	1,2	1,0	4,0	84,4	9,2	0	0
148,0	0,1	1,1	1,0	4,1	84,3	9,4	0	0
15630,0	0,1	1,0	1,0	4,1	84,5	9,3	0	0

З метою зняття напружень та часткового усунення радіаційних дефектів після імплантації проводилося відпалювання зразків титанового сплаву ВТ-6 при температурі 823 К у вакуумі 10^-2 Па (рис. 1).

Зникнення у спектрі піку вуглецю після відпалювання (рис. 1б) можливо пов'язано з утворенням твердих сполук осксикарбідів і карбідів титану в тонкому приповерхневому шарі. Методом РЗР побудовано профілі розподілу імплантованих елементів до та після відпалювання.

На основі отриманих профілів імплантованих елементів розраховано ефективні коефіцієнти дифузії Мо і W в зразках ВТ-6 за співвідношенням:

, (1)

де t - час відпалювання; у_i² - ширина піка концентрації елементів на половині висоти до відпалювання; у_t² - ширина піка концентрації елементів на половині висоти після відпалювання.

За результатами розрахунків ефективний коефіцієнт дифузії становить для іонів молібдену D_Mo 2,810^-12 м²/с, а для іонів вольфраму - D_W 10^-13 м²/с.

Введення легуючих елементів Мо і W сповільнює протікання дифузійних процесів у сплавах і стимулює перебудову структури у приповерхневому шарі. Через те, що кількість легуючих елементів у приповерхневому шарі сплаву велика, а розчинність важких елементів відносно низька, то вони сегригують на міжфазних і міжзеренних границях і утворюють виділення в-титану (В₂).

Дослідження рентгенівським дифракційним методом фазового складу приповерхневих шарів титанового сплаву ВТ-6 свідчить, що в приповерхневих шарах формуються інтерметалідні фази Al₃Tі і Al₂Tі (рис. 2а).

Це пов'язане з тим, що формування певних модифікацій оксидів алюмінію та титану, а також їхнє співвідношення залежать від умов імплантації. Для підтвердження отриманих результатів проводилася додаткова зйомка у геометрії ковзання променя (рис. 2б).

Отримані результати свідчать, що між лініями (001) і (101) б-Ti з'являється лінія (111) Al₃Tі. Після відпалювання імплантованих зразків на дифрактограмі з'являється відособлений пік (111) Al₃Tі. Очевидно подвійна іонна імплантація важкими іонами Mо⁺ і W⁺ призводить до вповільнення міжфазної або зерномежової дифузії та модифікації структури, обумовлених наявністю тонких прошарків в-стабілізаторів Ti або в(В₂) - фаз титану.

Для визначення механічних властивостей, зокрема твердості поверхневих шарів, застосовувався метод наноіндентування, що дозволяє дослідити фізико-механічні характеристики тонких приповерхневих шарів. У табл. 2 наведені результати вимірювання твердості зразків ВТ-6 імплантованого іонами Mo⁺ і W⁺ до дози 210¹⁷ см^-2. Встановлено, що імплантація важких іонів Mo⁺ і W⁺ призводить до збільшення твердості приповерхневого шару товщиною 50 нм.

Таблиця 2

Результати визначення твердості у ВТ-6, ГПа

Зразок	Глибина
	50 нм	100 нм	150 нм
Вихідний	5,8 0,9	5,6 0,8	5,0 0,5
Після імплантації	6,8 0,3	5,9 0,4	5,2 0,5
Після відпалювання	10,7 1,4	9,7 0,8	8,5 0,6

Це, можливо, обумовлене зростанням напружень за рахунок подвійної іонної імплантації Mo⁺ і W⁺ при наявності кисню і вуглецю в приповерхневому шарі та утворенням твердих карбідів. Імплантація іонів Mo⁺ і W⁺ призводить, також, до зростання модуля пружності Е приповерхневого шару на глибині 50 нм від 123 до 164 ГПа.

Для дослідження розподілу елементів у приповерхневому шарі сплаву ВТ-22, імплантованого іонами Mo⁺ і W⁺, застосовувався метод РЗР (рис. 3).

Результати дослідження елементного складу за допомогою РЗР, які були отримані з поверхневого шару ВТ-22 після імплантації іонів Мо⁺ і W⁺ дозами 210¹⁷ см^-2 відповідно, свідчать що максимальна концентрація W становить близько 11 ат. % і перебуває поблизу поверхні на глибині близько 9,5 нм, а концентрація Мо становить 38 ат. % на глибині 22,4 нм.

На спектральних кривих присутні піки, що відповідають вихідному стану титанового сплаву ВТ-22, тобто: титан, алюміній, ванадій, хром і залізо. Виявляються піки імплантованих елементів вольфраму і молібдену, а також елементів вуглецю і кисню, що адсорбовані поверхнею титанового сплаву за рахунок невисокого вакууму при іонній імплантації.

Аналіз спектрів РЗР дозволив побудувати профілі розподілу елементів W і Mo у приповерхневому шарі сплаву ВТ-22. Розрахунки розподілу імплантованих елементів із врахуванням селективного розпилення поверхні сплаву ВТ-22 важкими іонами та наявності радіаційних дефектів здійснювалися за уточненою формулою

, (2)

де - концентрація імплантованих елементів; - кількість параметрів впливу на елементний склад та дефектів структури; - кількість атомів в 1 см³ речовини; - густина потоку іонів; - глибина імплантації; - середній проективний пробіг іонів; - середньоквадратичне відхилення проективного пробігу іонів; - статистична вага параметрів; - коефіцієнт розпилення; - час імплантації.

Здійснено порівняння результатів розрахунків за виразом (2) з експериментальними даними розподілу імплантованих елементів. Спостерігається близько 5 % відхилення експериментальних даних від розрахункових. Це пояснюється тим, що при проведенні розрахунків не повністю враховуються усі фактори процесу імплантації. До яких слід віднести ефекти радіаційно-стимульованої та термічної дифузії в імплантованих матеріалах, сегрегацію домішок та вплив кристалічної орієнтації матриці.

Результати досліджень рентгенівським дифракційним методом фазового складу імплантованих зразків ВТ-22 іонами Мо⁺ і W⁺ до дози 510¹⁷см^-2 свідчать про наявність таких фаз: б-Ti, в-Ti і Al₃Ti. Зйомка у геометрії ковзання променя показує, що при імплантації іонів Mo⁺ і W⁺ відбувається розширення дифракційного піку від площини (101) б-Ti, що пов'язано зі зменшенням розміру кристалітів титану (рис. 4).

Методом мессбауерівської спектроскопії досліджувалися приповерхневі шари сплаву ВТ-22 після імплантації іонів Мо⁺ і W⁺. Результати досліджень свідчать, що імплантація іонів Мо⁺ і W⁺, які слабо розчиняються в -фазі Ti призводить до значних напружень у приповерхневому шарі. Це викликає деформацію кристалічної гратки. Іншою причиною високого рівня напружень у гратках на малих (міжатомних) відстанях виступають імплантовані атоми і домішкові атоми кисню і вуглецю, які сприяють утворенню твердих розчинів у вигляді карбідів, оксикарбідів та оксидів.

Вимірювання твердості вихідних зразків сплаву ВТ-22 після подвійної імплантації іонів Мо⁺ і W⁺ до дози 510¹⁷ см-² вказує на незначне зменшення твердості зі зростанням глибини від 50 до 150 нм, що пов'язано з особливостями імплантаційного процесу іонами Мо⁺ і W⁺. Твердість імплантованого шару вище вихідного, особливо на глибині 50 нм (табл. 3).

Підвищення твердості приповерхневих шарів пов'язане, можливо, зі зростанням ступеня дефектності (густина дислокацій) та формуванням у приповерхневих шарах дрібнодисперсних карбідних фаз.

Таблиця 3

Результати визначення твердості титанового сплаву ВТ-22, ГПа

Зразок	50 нм	100 нм	150 нм
Вихідний	5,8 0,8	5,8 0,5	5,7 0,7
Після імплантації	10,0 2,5	8,3 2,2	7,5 2,0

У четвертому розділі «Особливості структури та фазоутворення в сплаві TіNі після імплантації N⁺, N⁺+Nі⁺ і Mo⁺ +W⁺» представлені результати дослідження елементного складу, структури, морфології поверхні та механічних характеристик сплаву TіNі після імплантації іонами N⁺ до дози 10¹⁸ см^-2 з енергію 60 кеВ, N⁺ і Nі⁺ до дози (10¹⁷ - 10¹⁸ см^-2) з енергією 60 кеВ, Mo⁺ і W⁺ до дози (510¹⁷ cм^-2) з енергією 60 кеВ. Проведені дослідження морфології поверхні зразків еквіатомного сплаву TіNі після імплантації N⁺ та подвійної імплантації N⁺ + Nі⁺ свідчать про дефектну структуру поверхні. За рахунок розпилення поверхні в процесі імплантації іонів азоту спостерігається значна кількість кратерів різних розмірів. Поверхня стає досить шорсткою, із середнім арифметичним відхиленням профілю R_a 0,8 1,2 мкм, у порівнянні з шорсткістю поверхні зразків до імплантації: R_a 0,4 0,6 мкм. У процесі імплантації нікелю утворюються западини, при цьому область між ними має хвилясту будову. Це пов'язане з відсутністю сепарації пучка, що спричиняє потрапляння крапель імплантованих елементів з енергією достатньою для утворення ямок, при цьому шорсткість поверхні за рахунок розпилення змінюється.

Для дослідження елементного складу після імплантації іонів N⁺ до дози 10¹⁸ см?² і наступної імплантації іонів Nі⁺ до дози 510¹⁷ см?² у сплав TіNі застосовувався метод РЗР.

Виявлено, що у поверхневому шарі після імплантації спостерігається достатньо висока концентрація азоту і кисню, а також характерне «виїдання» у спектрі.

За допомогою стандартної програми TRIM (The transport of ions in matter) була визначена концентрація азоту та нікелю і побудовані профілі їх розподілу (рис. 5). Концентрація N визначалася з точністю до 5 aт. %, а концентрація Nі має похибку 1,2 aт. %. Для Nі концентраційний профіль будувався починаючи з 50 aт. %. Ця точка вибрана за 0. Крива профілю азоту немонотонна, тобто є два максимуми концентрації - перший поблизу поверхні (максимальна концентрація близько 36,0 aт. %), а другий пік розташований на глибині понад 100 нм, але з відносно меншою концентрацією - 27,0 aт. %. У провалі, між двома максимумами кривої профілю концентрації азоту спостерігається максимум концентрації атомів нікелю.

В основу пояснення механізму «виїдання» було покладено те, що Nі не утворює сполук з азотом. Частинки Nі наче б то «витискають» іони N⁺, можливо, за рахунок високих внутрішніх стискаючих напружень, при цьому частинки азоту переміщуються в області із залишковими розтягуючими напруженнями.

Розрахункове значення проективного пробігу іонів N⁺ в TіNі відповідає R_p = 79,0 нм, а для багатозарядних іонів Nі⁺ (середній заряд 2,4) - R_p = 48,6 нм. Це підтверджує наші припущення про виштовхування іонів N⁺ з області максимальних втрат іонів Nі⁺ з урахуванням реальних умов високодозової імплантації. Для дослідження фазових перетворень застосовувався метод диференціальної скануючої калориметрії.

Результати вимірювань температури фазових перетворень після імплантації іонів N⁺ у сплав TiNi наведені в табл. 4.

У сплаві TiNi фазові перетворення у процесі охолодження відбуваються у два етапи - з перетворенням аустеніту з кубічної структури (в₂-фаза) у R-фазу з ромбоедричною структурою, а потім перетворення R-фази у мартенсит з моноклінною структурою (в₁₉). Пік нагрівання безпосередньо відповідає аустенітній фазі (в₂-фазі) з Т_поч = 324,6 К і Т_кінц = 335,3 К для вихідного зразка та з Т_поч = 326,2 К і Т_кінц = 338,6 К для іонно-імплантованого зразка.

Таблиця 4

Температурні зміни у сплаві TiNi

TiNi сплав	Фаза	Нагрівання	Охолодження
		Tпоч, К	Tкінц, К	Tпоч, К	Tкінц, К
Вихідний	в2	324,6	335,3	-	-
	R	-	-	318,1	310,8
	в19	-	-	292,0	274,0
Після імплантації	в2	326,2	338,6		-
	R	-	-	316,3	310,2
	в19	-	-	297,7	284,6

Проведені дослідження показали, що у процесі іонної імплантації азоту зі ступенем іонізації пучка 90 100 % до дози 10¹⁸ см-² формується відокремлений подвійний шар з різною мікроструктурою та фазовим і хімічним складом (рис. 6).

Зіткнення іонів азоту з атомами матриці TiNi при зазначеній дозі спричиняють формування аморфного прошарку (приповерхневого шару) - А-шару. При цьому має місце розширення області дефектів, які перевищують глибину пробігу іонів у кристалічній структурі віддаленій від поверхні (Д-шар).

Аналіз результатів дослідження дефектної області методом просвічуючої мікроскопії показує, що ця область розташована відокремлено від загальної аморфної області (збагаченої титаном) до області, збагаченої нікелем.

На рис. 7 наведено результати мікроаналізу приповерхневого шару зразків сплаву TіNі, отримані за допомогою нанопучка електронів. При цьому спостерігаються лише атоми Ti, Ni та N.

За результатами наноіндентування твердість приповерхневого шару TіNі імплантованого іонами N⁺ (до дози 10¹⁸ cм-²) збільшується від 4,1 ГПа (вихідна) до 7,7 ГПа, а потім при наступній імплантації Nі до дози 510¹⁷ см-² підвищується до 8,4 ГПа.

Імплантація іонів Мo⁺ і W⁺ до дози 510¹⁷ см-² у титановий сплав TіNі змінює значення твердості від 4,1 ГПа до 5,1 ГПа та модуля пружності Юнга від 66 ГПа до 69 ГПа на глибині 50 нм.

ВИСНОВКИ

У результаті проведених досліджень виявлені закономірності зміни структурного стану, елементного складу фазових перетворень, що відбуваються в приповерхневих шарах сплавів титану ВТ-6, ВТ-22 та TіNі після подвійної іонної імплантації, що призводять до зміни їх фізико-механічних властивостей.

Основні результати дисертаційної роботи сформульовані у вигляді загальних висновків:

1. Проаналізовано вплив імплантації іонів металів Мо⁺ і W⁺ у титанові сплави на фазовий склад та дифузійну рухливість атомів у приповерхневих шарах. Встановлено, що величина ефективного коефіцієнту дифузії Мо і W у титанових сплавах складає D_Mo 2,810-¹² м²/с і D_W 10-¹³ м²/с.

2. Показано, що послідовна подвійна імплантація іонів N⁺ і Nі⁺ в TіNі призводить до утворення складного профілю іонів N⁺. Профіль для азоту немонотонний, спостерігається два максимуми концентрації: один - поблизу поверхні (максимальна концентрація близько 36,0 aт. %), а інший пік розташований на глибині понад 100 нм, але з концентрацією 27,0 aт. %. У провалі, між двома максимумами профілю концентрації N⁺ спостерігається максимум концентрації іонів Nі⁺, близько 20 aт.%.

3. Виявлено кореляцію між елементним складом, мікроструктурою, ефектом пам'яті форми і механічними властивостями приповерхневого шару сплаву TіNі, імплантованого іонами N⁺, N⁺+Nі⁺, Mo⁺ + W⁺. Імплантація іонів азоту призводить до зміни фазового складу та структури приповерхневого шару за рахунок формування нітриду титану, що викликає зміну механічних характеристик матеріалу. Встановлено, що імплантація іонів N⁺ до дози 10¹⁸ см^-2 підвищує твердість від 4,1 ГПа до 7,7 ГПа, а завдяки подальшій імплантації Nі⁺ до дози 510¹⁷см^-2 до 8,4 ГПа.

4. Показано, що подвійна імплантація Mo⁺ і W⁺ у титанові сплави ВТ-6 і ВТ-22 викликає структурні зміни, що призводить до значного підвищення твердості приповерхневих шарів. Твердість сплаву ВТ-22 після подвійної імплантації іонами Mo⁺ і W⁺ до дози 510¹⁷см^-2 збільшується від 5,8 до 10 ГПа, а для сплаву ВТ-6 після подвійної імплантації іонами Mo⁺ і W⁺ до дози 210¹⁷см^-2 збільшується від 5,8 до 6,8 ГПа.

5. Виявлено, що в приповерхневій області TіNі імплантованої іонами формується подвійний шар з різною мікроструктурою. До глибини порядку 80 нм від поверхні в зразках спостерігається аморфна структура, у якій формується два підшари - спочатку Tі та Nі і аморфноподібні структури, а потім збагачена нікелем мікрокристалічна структура. У другому підшарі, розташованому на глибині 80 160 нм від опроміненої поверхні, виявлена область збагачена титаном. За цією областю перебуває структура вихідного TіNі, із зернами, що мають помітно менші розміри.

6. У результаті імплантації азоту в титановий сплав TіNі відбувається зміна температури фазових перетворень. Показано, що в серії структурних перетворень в₂ > R > в₁₉ початкова температура фазових перетворень для вихідного зразка TіNі становила 324,6 К, а кінцева - 335,3 К, для імплантованого TіNі відповідно Т_почат = 326,2 К та Т_кінц = 338,6 К.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Азаренков Н.А. Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии: учебн. пособие / [Н.А. Азаренков, В.М. Береснев, А.Д. Погребняк, Л.В. Маликов, П.В. Турбин]. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009. 209 с. ISBN 978-966-623-592-6. Здобувачем підготовлено 6-й розділ, здійснено підбір та аналіз літературних джерел для всіх 9-ти розділів навчального посібника.

2. Погребняк А.Д. Влияние высокодозовой имплантации ионов металлов и газов на физико-механические свойства титановых сплавов / [А.Д. Погребняк, Н.К. Ердыбаева, Л.В. Маликов, С.Н. Братушка, Н. Левинтант] // ВАНТ: серия Вакуум, чистые металлы, сверхпроводники. 2008. № 1. С. 81-92. Здобувачем проведено дослідження морфології та елементного складу імплантованих титанових сплавів ВТ-6, ВТ-22.

3. Погребняк А.Д. Влияние высоких доз ионов N⁺, N⁺ + Ni⁺, Mo⁺ + W⁺ на физико-механические свойства TiNi / [А.Д. Погребняк, С.Н. Братушка, Л.В. Маликов, Н. Левинтант, Н.К. Ердыбаева, С.В. Плотников, Б.П. Гриценко] // ЖТФ. 2009. Т. 79, № 5. С. 65-72. Здобувачем проведено дослідження морфології та елементного складу імплантованого титанового сплаву TiNi.

4. Pogrebnjak A.D. Structure and properties of Ti alloys after double implantation / [A.D. Pogrebnjak, S.N. Bratushka, V.V. Uglov, V.S. Rusakov, V.M. Beresnev, V.M. Anischik, L.V. Malikov, N. Levintant, P. Zukovski] // Vacuum. 2009. Vol. 83, No. 6. Р. S241-S244. Здобувачем досліджено вплив температури відпалювання на розподіл імплантованих елементів у приповерхневому шарі титанового сплаву ВТ-6.

5. Погребняк А.Д. Элементный и фазовый состав титанового сплава ВТ-22, имплантированного ионами W⁺ и Mo⁺ / [А.Д. Погребняк, В.М. Береснев, С.Н. Братушка, Л.В. Маликов] // Вестник ХНУ имени В.Н. Каразина. Серия Ядра, частицы, поля. 2009. Вып. 859, 2(42). С. 77-82. Здобувачем проведено порівняння експериментальних даних з розрахунками розподілу імплантованих елементів за глибиною у приповерхневому шарі титанового сплаву ВТ-22.

6. Погребняк А.Д. Структурно-фазовые изменения в приповерхностных слоях титанового сплава TiNi, после двойной ионной имплантации / [А.Д. Погребняк, В.М. Береснев, N. Levintant, Л.В. Маликов, С. Н. Братушка, Н. К. Ердыбаева] // ФИП. 2009. Т.7, № 3. С. 239-243. Здобувачем, за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії проведено дослідження розподілу елементів у приповерхневому шарі імплантованого іонами сплаву TiNi.

7. Погребняк А.Д. Двойная ионная имплантация ионов газа и металлов TiNi / [А.Д. Погребняк, А.П. Кобзев, Н. Левинтант, Н.К. Ердыбаева, С.Н. Братушка, Л.В. Маликов, Д.П. Кульментьева, Б.П. Гриценко] // Материалы 7-й Международной конференции [«Взаимодействие излучений с твердым телом»], (Минск, Беларусь, 26-28 сентября 2007 г.). С. 149-153. Здобувачем розраховані профілі розподілу азоту у титановому сплаві TiNi після подвійної іонної імплантації.

8. Погребняк А.Д. Двойная имплантация ионов в TiNi и ее влияние на физико-механические свойства. / [А.Д. Погребняк, С.Н. Братушка, Л.В. Маликов, Н. Левинтант, Н.К. Ердыбаева, Б.П. Гриценко] // Материалы ХVIII Международной конференции [«Радиационная физика твердого тела»], (Севастополь, 7-12 июля 2008 г.). С. 288-289. Здобувачем досліджено влив подвійної іонної імплантації на пам'ять форми TiNi.

9. Pogrebnjak A.D. Structure and Properties of Ti Alloys After Double Implantation / [A.D. Pogrebnjak, S.N. Bratuska, V.M. Beresnev, V.V. Uglov, V.S. Rusakov, V.M. Anischik, L.V. Malikov, N. Levintant] // Procidings of Eleventh International Conference on [“Plasma Surface Engineering” - PSE 2008], (Garmisch-Partenkirchen, Germany, September 15-19 2008). P. 445. Здобувачем досліджено влив подвійної іонної імплантації на температуру мартенситного перетворення у сплаві TiNi.

10. Pogrebnjak A.D. Structures and Properties of Ti Alloys After Double Implantion / [A.D. Pogrebnjak, S.N. Bratushka, V.V. Uglov, V.S. Rusakov, V.M. Beresnev, V.M. Anishchik, L.V. Malikov, N. Levintant, B.P. Gritsenko] // Procidings of 9^th International conference on [“Modification of materials with particle beams and plasma flows”], (Tomsk, Russia, 21-26 September 2008). P. 614-619. Здобувачем проведені вимірювання твердості приповерхневих шарів сплавів ВТ-6, ВТ-22 після подвійної іонної імплантації на наноінденторі.

11. Роgrebnjak A.D. Structures and properties of Ti alloys after double implantation / [A.D. Роgrebnjak, S.N. Bratushka, V.V. Uglov, V.S. Rusakov, V.M. Beresnev, V.M. Anishchik, L.V. Malikov, N. Levintant] // Procidings of 7^th International conference [“Ion implantation and other applications of ions and electrons” ION-2008], (Poland, June 16-19 2008). P. 151. Здобувачем проведені вимірювання твердості приповерхневих шарів сплавів TiNi після подвійної іонної імплантації на наноінденторі.

12. Погребняк А.Д. Элементный и фазовый состав ВТ-22, имплантированного ионами W⁺ и Мо⁺ / [А.Д. Погребняк, С.Н. Братушка, Н. Левинтант, Н.К. Ердыбаева, Л.В. Маликов] // Материалы 8-й Международной конференции [«Взаимодействие излучений с твердым телом»], (Минск, Беларусь, 23-25 сентября 2009 г.). С. 192-195. Здобувачем проведено дослідження елементного складу імплантованих іонами Мо⁺ і W⁺ титанового сплаву ВТ-22.

АНОТАЦІЯ

Маліков Л.В. Особливості структурного стану та фізико-механічні властивості сплавів на основі Ti, Al та Ni після подвійної іонної імплантації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Сумський державний університет. - Суми, 2009.

Дисертація присвячена вивченню закономірностей фазових та структурних змін у приповерхневих шарах титанових сплавів ВТ-6, ВТ-22, TiNi після подвійної іонної імплантації. Досліджуються морфологія поверхні, елементний, фазовий склад, розподіл іонів за глибиною, концентраційні профілі та дифузія імплантованих іонів, механічні (нанотвердість) властивості титанових сплавів ВТ-6, ВТ-22 та TiNi після подвійної іонної імплантації. Проаналізовані фізичні процеси, які відбуваються у приповерхневих шарах титанових сплавів ВТ-6, ВТ-22 і TiNi, їх вплив на формування твердих розчинів, зміну структури, фазового складу та напружено-деформованого стану. Фазовий склад приповерхневого шару ВТ-6 після імплантації являє собою б-Ti; в-Ti; фази Al₃Ti і Al₂Ti. Встановлено, що після відпалювання при температурі 823 К спостерігається відокремлений пік (111) Al₃Ti. Усі зміни у структурі пов'язані з фазою Al₃Ti. Виявлена кореляція між елементним складом, мікроструктурою, ефектом пам'яті форми та механічними властивостями приповерхневого шару TiNi, імплантованого іонами N⁺ до дози 10¹⁸ cм^-2; N⁺ і Ni⁺; Mo⁺ +W⁺.

Ключові слова: титанові сплави, подвійна імплантація, фазовий склад, коефіцієнт дифузії, фізико-механічні властивості, мартенситні перетворення.

АННОТАЦИЯ

Маликов Л.В. Особенности структурного состояния и физико-механические свойства сплавов на основе Ti, Al и Ni после двойной ионной имплантации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Сумской государственный университет. - Сумы, 2009.

Диссертация посвящена выявлению закономерностей изменения структурного состояния, элементного состава, фазовых превращений, происходящих в приповерхностных слоях материалов на основе титана (ВТ-6, ВТ-22 и TiNi) после двойной ионной имплантации.

Обнаружена корреляция между элементным составом, микроструктурой, эффектом памяти формы и механическими свойствами приповерхностного слоя TiNi, имплантированного ионами N⁺; N⁺ и Ni⁺; Mo⁺ +W⁺. Имплантация ионов азота приводит к изменению фазового состава и структуры приповерхностного слоя за счет формирования нитрида титана и измельчения кристаллитов, что изменяет механические характеристики TiNi. После имплантации ионов N⁺ дозой 10¹⁸ см^-2 твердость увеличивается от 4,1 ГПа до 7,7 ГПа, а затем после имплантации Ni⁺ дозой 510¹⁷ см^-2 повышается до 8,4 ГПа.

Показано, что в результате имплантации Мо⁺ и W⁺ в титановые сплавы ВТ-6 на дифрактограммах в области (001) и (101) б-Ti наблюдается появление дополнительной линии (111) Al₃Ti. После отжига при температуре 823 К основные изменения связаны с фазой Al₃Ti, на дифрактограммах наблюдается обособленный пик (111) Al₃Ti. Величина эффективного коэффициента диффузии Мо и W в титановых сплавах ВТ-6 составляет D_Mо ~ 2,810^-12 м²/с и D_W ~ 10^-13 м²/с в случае двойной ионной имплантации.

Последовательная двойная имплантация ионов N⁺ и Ni⁺ в TiNi приводит к образованию сложного профиля ионов N⁺. Профиль азота немонотонен, имеются два максимума концентрации: один вблизи поверхности (максимальная концентрация около 36,0 aт. %), а второй пик расположен на глубине свыше 100 нм, но с меньшей концентрацией 27,0 aт. %. В провале, между двумя максимумами профиля концентрации N⁺ наблюдается максимум концентрации ионов Ni⁺, около 20 aт. %. Температура начала мартенситного превращения фаз в₂ (ОЦК) в в₁₉ (ромбическая решетка) находится ниже для имплантированных ионами азота образцов по сравнению с исходными образцами.

Ключевые слова: титановые сплавы, двойная ионная имплантация, фазовый состав, мартенситные превращения, физико-механические характеристики.

ABSTRACT

Malikov L.V. - Features of the structural state and physics-mechanical properties of alloys on the basis of Ti, Al, Ni after double ionic implantation. - Manuscript.

Thesis for a doctor of philosophy (Ph.D.) degree in physics and mathematics, field 01.04.07 - solids state physics.- Sumy State University, Sumy, 2009.

The dissertation is devoted to analysis of structure phase transformations and change of physical - mechanical properties descending in near - surface layers VT-6, VT-22, TiNi subjected to double ion implantation. The implantation of ions N⁺ be dose 10¹⁸cm^-2, N⁺ and Ni⁺ doses (10¹⁸ ч 10¹⁷) cm^-2, Mo⁺+W⁺ (2ч5)10¹⁷cm^-2 doses changes an elemental composition and microstructure of near-surface layers, results in increase of handness and increase of recovery efficiency of mechanical properties at heating of an elastically deformed material. The features of diffusion process and phase formation in titanium alloys

VT-6, VT-22, TiNi subjected to double implantation by heavy ions Mo⁺ and W⁺ are analyzed. It is showed that after double ion implantation the physical - mechanical characteristics of titanium alloys VT-6, VT-22, TiNi can be changed.

Key words: titanium alloys, double implantation, phase composition, diffusion coefficient, martensite transformation, physical -mechanical characteristics.

Размещено на Allbest.ru

...