научная статья по теме НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ AL-СПЛАВОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА Физика

Текст научной статьи на тему «НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ AL-СПЛАВОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 7, с. 97-99

УДК 669.018:535.211

НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ Л1-СПЛАВОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА

© 2009 г. В. С. Ковивчак, Т. В. Панова, К. А. Михайлов

Омский государственный университет, Омск, Россия Поступила в редакцию 07.08.2008 г.

Исследована морфология поверхности алюминиевых сплавов при воздействии мощного ионного пучка наносекундной длительности с малой плотностью тока. Рассмотрены возможные причины изменения рельефа поверхности.

ВВЕДЕНИЕ

Воздействие мощного ионного пучка (МИП) на поверхность различных металлических материалов может приводить к изменению механических свойств поверхностных слоев материала. Характер этого изменения в значительной степени зависит как от параметров ионного пучка (энергии частиц, плотности тока пучка, длительности), так и от термодинамических свойств облучаемого материала. В большинстве работ, выполненных до настоящего времени по модифицирующему воздействию МИП на металлические системы, исследовался диапазон достаточно высоких плотностей тока МИП, при котором наблюдается либо заметное изменение механических характеристик поверхностных слоев материала, либо заметное изменение морфологии облученной поверхности. Эти морфологические изменения, как правило, связаны с протеканием сложных физических процессов, в частности, при плавлении поверхностного слоя мишени под действием МИП с высокой плотностью тока начинают работать гидродинамические механизмы изменения морфологии поверхности. Динамика поверхности мишени определяется балансом сил поверхностного натяжения, сил инерции, вызванных ускоренным движением поверхностного слоя мишени, и вязких сил [1]. Ранее было показано, что образование микрократеров при воздействии МИП носит четко выраженный пороговый характер [2] и начинается при превышении объемной плотностью критического значения энергии, существующего для каждого материала. При плотности вложенной энергии больше критической (закритический режим облучения) происходит образование и интенсивный разлет плазменного факела, в результате чего поверхность мишени становится неустойчивой, и начальные возмущения формы поверхности развиваются в микрократеры. Если же плотность вложенной энергии меньше критической (докритический ре-

жим облучения), силы поверхностного натяжения расплава обеспечивают устойчивость поверхности, и можно ожидать уменьшения амплитуды исходных возмущений, т.е. сглаживания [1].

Для понимания физических механизмов изменений, наблюдаемых при воздействии МИП, представляется важным расширение исследований на область более низких плотностей тока МИП, соответствующих начальной стадии формирования кратеров (плавления) или даже ее отсутствию, когда в большей степени должны проявляться эффекты распыления материала ионами пучка. Исследования такого режима облучения позволят оценить роль процессов распыления в формировании поверхностного рельефа облучаемого материала при низких плотностях тока МИП.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В настоящей работе исследовано изменение при воздействии МИП морфологии поверхности модельных металлических материалов, в качестве которых служат различные алюминиевые сплавы. Выбор алюминиевых сплавов обусловлен как достаточно низкой температурой их плавления и высокой теплопроводностью, так и достаточно высокими коэффициентами распыления ионами пучка. В работе использовались сплавы АК6-Т1, Д16, АД33. Образцы имели форму дисков диаметром 12 мм и высотой 1.5 мм. Перед облучением проводилась механическая шлифовка и полировка образцов. Облучение проводилось на ускорителе "Темп" протон-углеродным пучком (30% Н+ и 70% С+) со средней энергией 300 кэВ и длительностью пучка 60 нс в диапазоне плотностей тока 5-150 А/см2. Давление в камере ускорителя в момент облучения образцов не превышало 6.6 х 10-3 Па. В экспериментах наряду со средней плотностью тока варьировалось число импульсов облучения, которое, как правило, увеличивалось при уменьшении плотности тока. Все

98

КОВИВЧАК и др.

Рис. 1. Морфология поверхности алюминиевого сплава АК6-Т1 после воздействия тремя импульсами МИП с различной плотностью тока j, А/см2: 50 (а), 100 (б), 150 (в).

исследованные образцы имели толщину, значительно превышающую пробег ионов пучка в сплавах. Морфологию поверхности облученных материалов исследовали методами оптической микроскопии на микроскопах "Neophot-2", "Био-лам", а также на атомно-силовом микроскопе "Solver Pro".

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как известно, характерной особенностью воздействия МИП на металлические материалы является формирование на их поверхности кратеров различных размеров, хорошо разрешаемых методами оптической микроскопии [3]. Типичные картины поверхности сплава АК6-Т1 после воздействия МИП с плотностями тока 50-150 А/см2 показаны на рис. 1. Видно, что при увеличении плотности до 150 А/см2 наблюдается существенное изменение формы кратеров, связанное, вероятно, со значительным гидродинамическим движением расплава. Исходя из существующих механизмов образования кратеров при воздействии МИП [1-3] и характера морфологии можно сделать вывод о достижении на поверхности сплава температуры, существенно превышающей температуру плавления, что обеспечивает достаточно высокую скорость термического испарения сплава, образование и интенсивный разлет плазменного факела. В этом случае влиянием процесса распыления на формирование поверхностного рельефа можно пренебречь, поскольку оценки показывают, что при плотности тока пучка 50 А/см2 и выше количество материала, уносимого с поверхности мишени вследствие испарения и абляции, значительно превышает количество распыленного материала. Уменьшение плотности тока ионного пучка ниже порога образования кратеров на поверхности исследуемых алюминиевых сплавов (которые, в среднем, для исследуемых алюминиевых сплавов составляют ~20 А/см2) должно привести к росту вклада распыления поверхности в формирование поверхностного рельефа алюминиевых сплавов при воздействии МИП.

Исследование поверхности алюминиевых сплавов, облученных МИП с малыми плотностями тока (5-10 А/см2), показало, что даже в этом случае наблюдается повышение шероховатости поверхности, которое проявляется в увеличении рассеяния света от облученной поверхности при числе импульсов n > 3. Характерный размер областей рассеяния на поверхности сплавов, определенный методами оптической микроскопии, составляет 2-10 мкм. Исследование поверхности облученных алюминиевых сплавов с помощью атомно-силовой микроскопии показало сложный характер ее морфологии при этих режимах облучения. На рис. 2 показана типичная морфология образца сплава АК6-Т1 после воздействия МИП с j = 10 А/см2, n = 3. Видно, что на поверхности сплава все еще наблюдаются единичные микрократеры диаметром до 500 нм и глубиной до 100 нм, однако их форма существенно отличается от формы кратеров, наблюдаемых при более высоких плотностях тока МИП. Наряду с этими микрократерами на поверхности наблюдаются микровыступы со средним диаметром 150 нм и высотой

НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ Л1-СПЛАВОВ

99

нм 120 0

2.5

нм

120Н 60 0

00

00

Рис. 2. Трехмерное АСМ-изображение поверхности алюминиевого сплава АК6-Т1 после воздействия МИП, ] = 10 А/см2 и п = 3.

Рис. 3. Трехмерное АСМ-изображение поверхности алюминиевого сплава АК6-Т1 после воздействия МИП, ] = 10 А/см2 и п = 10.

до 90 нм. Образование таких выступов, возможно, связано с маскирующим действием тонких островков плотного А1203, всегда присутствующих на поверхности алюминиевых сплавов, и/или с выделением интерметаллидных фаз, имеющих меньший коэффициент распыления. Увеличение числа импульсов облучения до десяти (рис. 3) приводит к изменению шероховатости облученной поверхности за счет появления большего числа микровыступов диаметром 40-150 нм и средней высотой 60 нм. Подобное изменение морфологии характерно для случая ионного распыления поверхности полупроводников [4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенные исследования показали, что на алюминиевых сплавах даже при

значениях плотности тока пучка, меньших порога кратерообразования, наблюдается изменение шероховатости поверхности, связанное с образованием неупорядоченных поверхностных неодно-родностей наноразмерного масштаба.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Красников B.C., Лейви А.Я., Майер А.Е., Яло-вец А.П. // ЖТФ. 2007. Т. 77. Вып. 4. С. 41.

2. Волков Н.Б., Майер А.Е., Яловец А.П. // ЖТФ. 2002. Т. 72. Вып. 8. С. 34.

3. Ковивчак B.C., Панова ТВ., Бурлаков Р.Б., Блинов В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2006. № 4. С. 69.

4. B.C. Черныш, А.С. Патракеев, Е.С. Солдатов и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2007. № 12. С. 25.

Surface Nanostrueturing of A1 Alloys under High Power Ion Beam Irradiaton

V. S. Kovivchak, T. V. Panova , K. A. Mikhailov

Surface morphology of aluminum alloys at high-power ion beam irradiation of nanosecond duration with small current density was investigated. Possible reasons of surface relief changing were considered.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком