научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МОЩНЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ МЕТАЛЛОВ С ПОКРЫТИЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МОЩНЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ МЕТАЛЛОВ С ПОКРЫТИЕМ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 4, с. 47-49

УДК 669.018:535.211

ФОРМИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МОЩНЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ МЕТАЛЛОВ С ПОКРЫТИЕМ © 2011 г. Т. В. Панова1, В. С. Ковивчак1 2, В. И. Блинов1, К. О. Шарифулин1

1Омский государственный университет, Омск, Россия 2Омский филиал Института физики полупроводников СО РАН, Омск, Россия Поступила в редакцию12.07.2010 г.

Методами растровой электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального микроанализа исследованы металлические системы на основе алюминия и меди с покрытием из никеля, подвергнутые воздействию мощного ионного пучка наносекундной длительности. На поверхности исследуемых мишеней обнаружены дисперсные частицы микро- и наноразмеров, состав и механизм образования которых различен. Показано, что микрочастицы образуются при перемешивании материалов пленки и подложки и состоят из их компонентов. Наночастицы состоят, главным образом, из материала покрытия. Их образование связано с диспергированием пленки N1 из-за присутствия на поверхности образцов тонкого оксидного слоя, а также из-за частичного осаждения аблированного N1.

ВВЕДЕНИЕ

Модификация поверхностных слоев с помощью мощных ионных пучков (МИП) открывает новые возможности для получения качественно иного состояния поверхности в материалах с покрытиями. Эксплуатационные характеристики таких материалов могут быть повышены путем получения дисперсных структур при высокоскоростных процессах, происходящих при облучении. Многообразие последних (плавление, газодинамическое распыление поверхностного слоя, высокоскоростная кристаллизация и закалка, генерация и пластическая релаксация полей напряжений разной природы, химическое взаимодействие и т.д.) способствует образованию разнообразных структурно-фазовых состояний, диспергированию структуры и поверхности в таких системах [1—3]. Помимо перемешивания атомов покрытия с атомами подложки они могут проникать вглубь на расстояния, значительно превышающие величину проективного пробега заряженных частиц, что значительно улучшает адгезионные свойства материалов.

В настоящей работе исследованы особенности обработки МИП систем Al—Ni, Cu—Ni и сплавов на основе алюминия и меди с никелевым покрытием.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объектов исследования использовали химически чистые поликристаллические образцы меди и алюминия, а также их сплавы — Л63 (62— 65% Cu, остальное Zn) и алюминия — АД1 (99.8% Al; 0.3% Fe; 0.35% Si; 0.05% Cu). Образцы механически шлифовали, полировали и подвергали отжигу в течение двух часов при температурах 300 и 200°С соответственно. На поверхность образцов термическим испарением в вакууме наносили слои никеля

толщиной ~70 нм. Толщина покрытия значительно меньше пробега ионов углерода и водорода с энергией 300 кэВ в этих материалах. Облучение МИП проводили на ускорителе "Темп", который имеет следующие параметры пучка: — состав пучка Н+ (30%), С+" (70%); энергия частиц ~0.3 МэВ; средняя плотность ионного тока на мишени — (40—150) А/см2; длительность импульса — 60 нс. Исследование поверхности проводилось с помощью растрового электронного микроскопа Philips SEM-515.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В [4] было показано, что при облучении МИП алюминия и меди с покрытием из никеля происходит образование в приповерхностном слое алюминия новой более твердой интерметаллидной фазы Al4Ni3, тогда как в медных образцах рентгенографически новые фазы не были обнаружены. Полученные данные свидетельствуют о более интенсивных процессах перемешивания атомов пленки с атомами подложки в алюминиевой мишени, нежели в медной. Это связано с различием в теплофизиче-ских и термодинамических свойствах мишеней. Перемешивание пленки с матрицей происходит в газожидком состоянии, поскольку часть пленки переходит в пароплазменное состояние и улетучивается, а другая часть участвует в образовании новой фазы. Однако электронно-микроскопический анализ показал, что происходящие процессы при облучении двухслойных систем гораздо сложнее.

На рис. 1 и 2 показана морфология поверхности образцов Al и Cu с Ni-покрытием после облучения МИП с различной плотностью тока: 50 (а), 100 (б) и 150 (в) А/см2. Видно, что после облучения на поверхности подложки образуется периодическая структура. Вероятно, это связано с генерацией на

48

ПАНОВА и др.

Рис. 1. Морфология образцов Ni—Al после облучения МИП с плотностью ионного тока 50 (а), 100 (б) и 150 (в) А/см2.

поверхности расплава капиллярных волн, которые при кристаллизации формируют такую морфологию поверхностного слоя. Обнаружено образование дисперсных частиц микро- и наноразмерных масштабов на поверхности исследуемых образцов при всех используемых в эксперименте плотностях тока.

Установлено, что крупные дисперсные частицы системы Ni—Al имеют размер от 3 до 10 мкм. Увеличение плотности ионного тока приводит к росту этих частиц. Для системы Ni—Cu их размер составляет 1—5 мкм. Размеры мелких дисперсных частиц не изменяются при варьировании плотности тока и составляют для образцов Ni—Al ~200 нм, а для образцов Ni—Cu--300 нм.

С помощью локального рентгеноспектрального микроанализа установлено, что дисперсные части-

Рис. 2. Морфология образцов Ni—Cu после облучения МИП с плотностью ионного тока 50 (а), 100 (б) и 150 (в) А/см2.

цы микронных размеров содержат смесь элементов подложки и покрытия для обеих систем. Нанораз-мерные частицы состоят преимущественно из никеля. Предположено, что образование микронных дисперсных частиц происходит при отрыве капель расплава при наложении капиллярных волн, что подтверждается электронно-микроскопическим исследованием поверхности на гребне волны (рис. 3).

Аналогичные результаты получены и при использовании в качестве подложки сплавов алюминия и меди. Характерной особенностью облучения сплавов с покрытием из никеля является образование более мелких частиц. Для латунной подложки размеры микрочастиц составили ~0.5—3 мкм, а на-ночастиц ~100 нм. Для сплава АД1 размеры микрочастиц составили ~5 мкм, а наночастиц ~80 нм. Та-

ФОРМИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ

49

Г

с

ность А1, Си и их сплавов покр^гга тонким оксидным слоем, что подтверждается рентгенофазовым и микрозондовым анализом. При плавлении N1 с помощью МИП вследствие несмачивания расплавом N1 оксидного слоя происходит диспергирование N1 на частицы различного размера. При увеличении плотности тока до величин, обеспечивающих абляцию никеля, возможен и второй процесс — осаждение капельной фазы никеля. В пользу этих предположений свидетельствуют данные микроанализа, свидетельствующие о значительном уменьшении процентного содержания N1 на поверхности подложки между частицами.

Рис. 3. Морфология поверхности образца №—Л63, облученного МИП с плотностью тока 100 А/см2.

кое отличие, вероятно, связано как с наличием на поверхности сложной оксидной пленки, так и с присутствием в сплавах элементов, имеющих высокое давление насыщенного пара. Высокие скорости охлаждения позволили зафиксировать промежуточную стадию, предшествующую отрыву капли, когда эта капля соединяется с подложкой.

МИП можно рассматривать как способ быстрого термического нагрева приповерхностной области по всей глубине пробега ионов при практически холодной подложке. Такой нагрев характеризуется большими градиентами температуры и высокими скоростями охлаждения (~106—108 К/с). Величина плотности ионного тока оказывает влияние на динамику плавления подложки и пленки. Наличие тугоплавкого покрытия из никеля должно способствовать изменению толщины и времени существования расплавленного слоя подложки из А1 и Си. Скорость кристаллизации в этом случае также изменяется, что приводит к развитию диффузионных процессов (на границе расплав—твердое тело), тем самым обеспечивается захват атомов никеля подложкой на границе расплав—твердое тело. Это приводит к образованию частиц смешанного состава.

Образование наноразмерных дисперсных частиц может происходить разными путями. Поверх-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований было установлено, что при облучении МИП образцов А1, Си и их сплавов с покрытием из № происходит перемешивание компонентов в газожидкой фазе с образованием дисперсных частиц микро- и нанораз-меров. Состав и механизм образования этих частиц различны. Микрочастицы образуются при перемешивании компонентов и состоят из смеси материалов подложки и покрытия. Наночастицы состоят, в основном, из материала покрытия. Образование наночастиц связано с диспергированием пленки № из-за присутствия на поверхности материала подложки тонкого оксидного слоя, а также из-за частичного осаждения аблированного N1.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грибков В. А., Григорьев Ф.И., Калин Б. А., Якушин В.Л. Перспективные радиационно-пучко-вые технологии обработки материалов. М.: Изд. дом "Круглый год", 2001. 528 с.

2. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., ТретьякМ.В. и др. // Физика металлов и металловедение. 2000. Т. 89. № 1. С. 54.

3. Койшибаев Р.Г., Крючков Ю.Ю., Малютин В.М. и др. // Поверхность. 1990. № 11. С. 135.

4. Панова Т.В., Ковивчак В.С., Блинов В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2008. № 8. С. 76.

Formation of Disperse Particles under High Power Ion Beam Irradiation

of Metals with a Coating

T. V. Panova, V. S. Kovivchak, V. I. Blinov, K. О. Sharifulin

Metal systems based on aluminum and copper coated with nickel irradiated by high power ion beam of nanosecond duration were investigated by scanning electron microscopy and microanalysis. The formation of dispersed particles of micro- and nanosize scales on the target surface was revealed. Microparticles were formed during mixing of film and substrate atoms and consisted of corresponding components. Nanoparticles were mainly composed of the coating material, and their formation was associated with the dispersion of Ni film due to the presence of a thin oxide layer on the sample surface. The deposition of Ni ablated by high power ion beam could influence the formation of nanoparticles.

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