Механизмы имплантации в металлы и сплавы ионов азота с энергией 1-10 кэВ

Используемые ионные технологии предназначены:

1) для создания покрытий различного функционального назначения, в том числе износостойких;

2) для поверхностного модифицирования за счет внедрения ионов в материал подложки без формирования покрытий.

В первом случае, при наиболее распространенном на практике ионно-плазменном напылении [23, 28, 29, 32], осаждение потока ионов ведется из п

лазмы на деталь, находящуюся под отрицательным потенциалом, значение которого достигает 103 В и выше. Между образцом и заземленными частями установки создается тлеющий разряд в инертном газе, обычно аргоне, находящемся под давлением в единицы Паскалей. Разряд обеспечивает очистку поверхности за счет распыления адсорбированных газов. После очистки материала подложки ионами аргона, производится ионная бомбардировка поверхности образцов ионами металла с целью внедрения ионов в поверхностный слой, создания переходной зоны между покрытием и основным материалом для повышения адгезии. Бомбардировка сопровождается нагревом поверхности образцов до температуры, которая не должна превышать температуру отпуска материала подложки. Метод позволяет получать пленки равномерной толщины и мелкодисперсной структуры с хорошей адгезией к подложке [31]. На практике получили широкое распространение покрытия из чистых металлов, нитридов и карбидов титана, циркония, хрома [27] и др. К недостаткам ионно-плазменного напыления можно отнести большое число параметров, активно влияющих на структуру и свойства получаемых покрытий, а также возможные перегрев поверхности выше температуры отпуска и разупрочнение сталей или, наоборот, недостаточный нагрев поверхности, приводящий к низкой адгезионной прочности покрытия [30].

Ионные методы формирования покрытий имеют общее свойство — результатом их применения является изменение размеров обрабатываемого изделия [3, 8, 10, 11]. Применение этих методов связано с необходимостью обеспечения высокой адгезии покрытия к материалу основы, для чего требуется поддержание определенного температурного диапазона осаждения [3, 33].

В связи с вышеизложенным, наиболее перспективным является другое направления развития ионных технологий, - поверхностного модифицирования за счет внедрения ионов газов в материал подложки без формирования покрытий, – одна из разновидностей так называемой ионной имплантации [21, 33]. Суть метода заключается в поверхностной обработке изделия ионами с энергией, достаточной для их внедрения в поверхностные слои материала. Пороговая энергия, выше которой начинается внедрение ионов составляет примерно 3*10-18 Дж (рисунок 1.1). Глубина проникновения при энергии частиц 10-18 – 10-17 Дж не превышает нескольких межатомных расстояний (до 10 Å).

Обычно рассматривают три энергетических диапазона ионной имплантации: низкоэнергетическая (10-17 – 10-16 Дж), имплантация ионов средних энергий (10-15 – 10-14 Дж), высокоэнергетическая имплантация (10-13 Дж и выше) [21, 22].

Рисунок 1.1 – Энергетические диапазоны воздействий ионного потока на поверхность твёрдого тела.

Ряд исследователей отметили [3, 21, 24, 26] в качестве результата ионной имплантации значительное повышение эксплуатационных характеристик изделий, таких как механические свойства, износостойкость, коррозионная стойкость, циклическая прочность и т.д.

К преимуществам метода ионной имплантации следует отнести:

· возможность получения практически любой комбинации матрица – легирующий элемент или легирующие элементы;

· возможность проведения процесса комнатной температуре;

· внедрение строго дозированных количеств легирующих примесей;

· отсутствие зависимости предельной концентрации вводимой примеси от предела растворимости в материале подложки;

· чистые условия проведения процесса, исключающие загрязнение образцов нежелательными примесями;

· простота управления ионным пучком и возможность обработки локальных участков поверхности;

· практически неизменность размеров обрабатываемой детали;

· отсутствие коробления деталей, даже малой жёсткости;

· высокая воспроизводимость получаемых структур;

· обеспечение экономного легирования.

Недостатком реализации метода ионной имплантации является сложность и громоздкость оборудования и отсутствие его серийного производства.

Таким образом, из выше рассмотренных групп методов в силу неоспоримых преимуществ можно выделить методы поверхностного модифицирования за счет внедрения ионов в материал подложки без формирования покрытий – ионную имплантацию газов в поверхности металлов и сплавов.

2. Физические основы процесса ионной имплантации газов в металлы и сплавы

2.1 Основные характеристики метода ионной имплантации

Основными параметрами ионной имплантации являются:

- энергия имплантируемых ионов, Дж;

- доза облучения, м-2;

- время облучения, с.

Физические процессы при имплантации ионов газов с энергией в диапазоне 1 – 10 кэВ (Дж) недостаточно изучены [3]. Недостатками имплантации при более низких энергиях является то, что для существенного повышения эксплуатационных характеристик изделий требуется длительное время обработки (как правило, не менее 1 ч) [36, 40, 42]. Ионная имплантация при энергиях ионов выше 100 кэВ (Дж) требует сложного и дорогостоящего оборудования [25].

Таким образом, осуществление ионной имплантации в диапазоне 1 – 10 кэВ (Дж) позволяет, с одной стороны, уменьшить время обработки по сравнению с низкоэнергетической имплантацией, с другой стороны, значительно упростить оборудование по сравнению с высокоэнергетической имплантацией.

Технологические возможности ионной имплантации определяются верхним пределом концентрации имплантированных атомов и толщиной слоя, характеризующегося новыми свойствами. В процессе имплантации при торможении бомбардирующего иона в поверхностном слое материала создаются каскады смещенных атомов, при этом поверхностные атомы, получившие энергию, достаточную для преодоления сил поверхностной связи, выбиваются наружу и происходит распыление облучаемого материала. Вместе с атомами обрабатываемого материала происходит выбивание и атомов имплантируемой примеси. Вследствие этого процесс распыления накладывает ограничение на количество имплантируемых в материал атомов, что ведет к насыщению общей концентрации имплантированной примеси. В разделе 2.4 приведена расчётная зависимость для определения максимальной концентрации вводимой примеси.

Как показывают оценки и эксперименты, обусловленный распылением поверхности в процессе имплантации верхний предел имплантированной примеси ограничен 20 .50 атомными %, что является вполне достаточным для получения сплавов и управления свойствами поверхности. Реально это соответствует диапазону доз 1021 . 1022 м-2 [21]. На практике доза облучения, как правило, колеблется от 1019 до 1022 м-2 [8, 21, 25]. При дозах меньше 1019 м-2 повышение эксплуатационных характеристик изделий незначительно [25]. При увеличении дозы имплантации выше 1022 м-2 улучшение эксплуатационных характеристик изделий существенно замедляется, и начинают проявляться различные нежелательные эффекты, например, радиационное распухание [20, 41], которые приводят к разрушению поверхностного слоя обрабатываемого материала.

 Скачать реферат