ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 2, с. 198-201
УДК 66924:53925
СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ НИКЕЛЯ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ ТИТАНА
© 2007 г. Э. В. Козлов1, И. А. Курзина1, И. А. Божко1, М. П. Калашников1,
Ю. П. Шаркеев2
E-mail: sharkeev@ispms.tsc.ru; kozlov@tsuab.ru
Представлены результаты экспериментального исследования микроструктуры, элементного и фазового состава поверхностных ионно-легированных слоев никеля, модифицированных в условиях высокоинтенсивной имплантации ионов титана. Установлено, что в условиях ионной имплантации титана в поверхностных слоях никеля толщиною до 1600 нм формируются интерметаллидные фазы (NiTi, Ni3Ti, NiTi2), твердый раствор Ti в Ni, а также оксиды и карбид титана различной стехиометрии. Показано, что фазы, образующиеся в ионно-легированных поверхностных слоях никеля, являются нанокристаллическими; средний размер их зерен составляет 40 нм.
ВВЕДЕНИЕ
Один из способов улучшения механических и физико-химических свойств поверхности материалов (повышение сопротивления износу, коррозии, радиационному разрушению и др.) - ионная имплантация [1, 2]. При воздействии ионным пучком на поверхностные слои материалов можно получать твердые растворы высокой концентрации, наноразмерные фазы внедрения и неравновесные фазы, интерметаллидные соединения, осуществлять интенсивное концентрационное перемешивание, формировать высокодефектные структуры и т.д. Принципиальная возможность улучшения физико-механических характеристик поверхностных слоев титана и никеля посредством формирования мелкодисперсных титановых и никелевых алюми-нидов методом ионной имплантации показана в ряде работ [2-6]. Известно, что в процессе ионной имплантации при температурах, удовлетворяющих условиям химической реакции, обычно происходит формирование соединений в соответствии с равновесной фазовой диаграммой. Согласно диаграмме состояния системы №-Т в области, богатой никелем, основными интерметаллидными соединениями являются №Т (структура В2) и №3Т (структура Я024) (рис. 1). Можно предположить, что в условиях имплантации ионов титана в никель возможно формирование данных интерметаллидных структур. При этом особенности микроструктуры могут быть достаточно чувствительны к таким параметрам имплантации, как длительность имплантации, доза облучения, температура мишени и др. Актуальны
1 Томский государственный архитектурно-строительный университет.
2 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск.
U
1800 1600 1400 1200 1000 800 600
Ti, вес.%
10 20 30 40 50 60 70 80 90100
1 1 1 1 Ж 1 1 1 1 1
(Ni) Г\ //
\ н \z / 1 Й
-1* — NiTi2
| 1 "г 1- 1 a(Ti) i i i \
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ti, ат.%
NiTi (B2) g Ni
Ni3Ti (D024)
Рис. 1. Диаграмма состояния системы №-Т1 с указанием кристаллической структуры интерметаллидных фаз №Т (В2) и №3Т (Д024).
исследования по выявлению и интерпретации факторов, обеспечивающих формирование структурно-фазового состояния ионно-модифицированных слоев, характеризующихся повышенными физико-механическими свойствами.
Цель данной работы - исследование влияния ионной имплантации титана на микроструктуру и элементно-фазовый состав поверхностных ион-но-легированных слоев никеля.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Имплантация никелевых образцов ионами титана в режиме высокоинтенсивной ионно-луче-вой обработки была выполнена на источнике ускоренных ионов и плазмы "Радуга-5" при ускоряющем напряжении 20 кВ. В работе выполнены эксперименты, отличающиеся температурой мишени, расстоянием от источника и соответственно дозой облучения (табл. 1). Элементный состав поверхностных слоев имплантированного никеля определен методом послойной электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Исследование фазового состава ионно-легированных образцов было проведено методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на электронном микроскопе "ТеэЬ В8-540" и рентгенофазового анализа (РФА) с помощью дифрактометра "ДРОН-3" в фильтрованном FeXa-излучении. Концентрацию титана в твердом растворе определяли по параметру кристаллической решетки. Особое внимание при изучении микроструктуры поверхностных имплантированных слоев никеля было уделено ПЭМ в режиме темнопольной съемки [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Основные характеристики ионно-легированных образцов никеля приведены в табл. 2. Согласно результатам, полученным методом ЭОС (рис. 2), с ростом температуры и дозы облучения ионами титана наблюдалось увеличение толщины имплантированных слоев никеля от 600 (режим 1) до 1600 нм (режим 2). В образце никеля, модифицированного при дозе 0.8 • 1018 ион • см-2, максимальная концентрация Т в поверхностном слое составила ~70 ат. % и приходилась на глубину от 100 до 350 нм от облученной поверхности (рис. 2а). На расстоянии более 500 нм от поверхности концентрация Т не превышала 5 ат.%. Образец никеля, ионно-легированный с дозой 2.9 • 1018 ион • см-2, характеризовался смещением максимальной концентрации титана (~60 ат. %) в область глубин 200600 нм (рис. 26). На расстояниях от поверхности более 600 нм наблюдалось плавное снижение профиля концентрации титана в сравнении с первым режимом, что свидетельствовало об активных диффузионных процессах. Изменение параметров
Таблица 1. Условия имплантации образцов никеля ионами титана
Режим Температура мишени, К Расстояние от источника до мишени, м Доза облучения, 1018 ион • см-2 Ускоряющее напряжение, кВ Длительность имплантации, мин
1 2 850 1000 0.68 0.43 0.8 2.9 20 120
имплантации приводит к существенному изменению границы имплантированного слоя (рис. 2).
В поверхностных имплантированных слоях никеля кроме легирующих атомов титана присутствовали примеси кислорода и углерода, адсорбированные из остаточной атмосферы вакуумной камеры и распространившихся по глубине мишени в результате радиационно-стимулированных и термодиффузионных процессов (рис. 2). В имплантированном по режиму 1 образце никеля концентрация углерода в поверхностных слоях составляла ~20 ат.%, а содержание кислорода не превышало 10 ат.%. Образец никеля, облученный с дозой 2.9 • • 1018 ион • см-2, характеризовался содержанием кис-
С, ат.% 100
80 60 40 20
0 400 800 1200 1600
С, ат.% 100
80
60
40
20
0 400 800 1200 1600
с[, нм
Рис. 2. Концентрационные профили поверхностных слоев никеля, имплантированных ионами титана по режиму 1 (а) и режиму 2 (•).
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 2 2007
200 КОЗЛОВ и др.
Таблица 2. Основные характеристики имплантированных образцов никеля
Режим Толщина модифицированного слоя, нм Фазовый состав Средний размер зерен формируемых фаз, нм
1 600 №Т1 (куб., гекс.), №Т12, тв. раствор Т1 в № №ТЮ3, №2Т1405, ТЮ (куб., гекс.), Т120, ТЮ2 (рутил, ортор.), Т1С 35
2 1600 №3Т1, №Т1 (куб.), №Т12, тв. раствор Т1 в № ТЮ, Т120, Т102 (рутил, орторомб., анатаз), Т1305, Т1С 40
лорода и углерода ~10 ат. % по всей глубине ион-но-легированного слоя мишени.
Электронно-микроскопические изображения поверхностных ионно-легированных слоев никеля представлены на рис. 3. Анализ ПЭМ-изобра-жений показал, что в процессе имплантации формируются фазы бинарной системы №-Тк №Т и №Ш2 (режим 1); №3Т и №Т (режим 2) и твердый раствор титана в никеле. Микродифракционные картины поверхностных слоев имплантированных образцов никеля (рис. 36, д) представляют собой набор отдельных дебаевских колец вследствие формирования мелкодисперсных фаз. Согласно темнопольным ПЭМ-изображениям (рис. 3е, е), средний размер зерен формируемых соединений составляет ~30-40 нм для обоих режимов (табл. 2). Как видно из темнопольных
изображений, зерна наноразмерных интерметал-лидных фаз равномерно распределены по глубине имплантированных слоев (рис. 3в, е).
Штрихрентгенограммы образца №, имплантированного по режиму 2, приведены на рис. 4. На рентгенограммах облученных материалов наряду с формируемыми в условиях имплантации фазами присутствуют линии облучаемого материала № (вследствие их большой интенсивности они не указаны на рисунке). РФА-исследования фазового состава (табл. 2) поверхностных ионно-легиро-ванных слоев никеля показали, что в результате ионной обработки в поверхностных слоях формируются соединения №Т и №Т^ (режим 1); №3Т и №Т (режим 2).
Рис. 3. ПЭМ-изображения поверхностных слоев никеля имплантированного при дозе 0.8 • 1018 ион • см-2 (а-в) и 2.9 • 1018 ион • см-2 (г-е). Светлопольные изображения (а, г); микродифракционные картины (б, д); темнопольные изображения фаз в рефлексах указанных стрелками на микродифракционных картинах (в, е).
/, %
100 90
20 15 10 5 0
х!
■ №Т1(монокл.) о №3Т1
* ? ?
40 50
1-1-П-П-1-Г^—л
60 70 80 90 100
/, % 100 80 60 40
20 15 10 5 0
40
а Т1305(орторомб.) ■ ТЮ(гекс.) • Т120
° ТЮ2(орторомб.) л ТЮ2(рутил)
Г I-1.......I......I— I ........1.......I
50 60 70 80 90 100
29
Рис. 4. Штрихрентгенограммы образцов никеля, имплантированных ионами титана по режиму 2: никели-ды титана (а); оксиды титана (•).
а
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 2 2007
Достаточно высокие значения концентрации внесенных примесей, температуры процесса и энтальпии образования оксидных и карбидных фаз способствовали их синтезу в условиях ионного облучения. Методами ПЭМ и РФА обнаружено формирование оксидов титана различной стехиометрии: Т120, ТЮ, ТЮ2, Т1305 и карбида титана Т1С. Наряду с указанными оксидными и карбидными фазами для образца никеля, имплантированного по режиму 1, наблюдается формирование тройных фаз (№ТЮ3, №2Т1405). Соотношение и химический состав формируемых соединений определяются режимом облучения (табл. 2). Необходимо отметить, что в случае режима 1 доминирующими являются тройные фазы и оксиды титана, что связано с условиями имплантации.
В результате формирования в поверхностных слоях наноразмерных интерметаллидных фаз возможно получение чрезвычайно стабильного материала, обладающего высокой поверхностной твердостью при умеренных и повышенных температурах, устойчивого к коррозии и окислению. Согласно результатам механических испытаний, микротвердость ионно-легированного по режиму 2 образца ни
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.