Модификация поверхности металлов методом ионно-лучевого смешивания тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ школы И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОМ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи УДК 669.018.6

МУРЗИН Иван Германович

МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ ЛЕТОДОАЪ ИОННО-ЛУЧЕВОГО СМЕШИВАНИЯ

01.04.07 — Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Л. П. ЧУПЯТОВА

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В. Н. МОРДКОВИЧ кандидат физико-математических наук Г. В. ГОРДЕЕВА

Ведущая организация: ЦНИИЧермет

■ Защита состоится « 23 » лл/зеля 1992 года в /5" часов на заседании специализированного совета К.053.08.06 при Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов по адресу: Москва, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института стали и сплавов.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук МУК.ОВСКИЙ Я. М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Требования, предъявляемые к высокотехнологичным материалам со специальными служебными характеристиками подразумевают наличие у них особых поверхностных свойств, отличных от объемных. Одам из наиболее перспективных методов обработки, позволявши производить контролируемое изменение состава и структуры приповерхностных свойств метвллов, является метод ионно - лучевого смешивания (ШГС). Принцип .метода заключается в нанесении на обрабатыввемую поверхность тонкой пленки легирупцэго элемента и последущем облучении полученной системы потоком ионов инертных газов высокой энергии с (елью образовавши -смешанно области. С его помощью удается направленно изменять такие сво1._гвв материалов, нак износостойкость, коррозионная стойкость, микротвердость и ряд других физико - механических характеристик. Основными преимуществами метода ИЛС перед альтернативными технологиями обработки поверхности и, в первую очередь, прямой ионной ит.ллантвцией (ПИИ) являются: 1) отсутствие 01 ^лгапений на верхний предел концентрации вводимого легирующего элемента; 2) использование интенсивных пучков ионов инертных газов, широко распространенных в промышленных имплан-терах, вместо дорогостоящих и малоэф}9ктивннх источников метал-лыеских ионов; 3) снижение на 1 - 2 порядка значений доз ионов, необходимых для аффективного легирования и синтеза соединений ; 4) возможность увеличения толщины модифицированного слоя поверхности.

За последние 5-6 лет технология ИЛС получила широкое распространение за рубежом для Обработки прецизионных деталей различных механизмов и приборов, применяпцихся в медицине, ма-шино- и приборостроении. Ив основе ШГС активно разрабатывается

новый метод поверхностной обработки металлов - динамическое перемешивание или конденсация с одновременной ионно - лучевой бомбардировкой - находящай вое большее применение в промышленности.

Однако, накопленных к настоящему ■времена вкспершентальных данных и теоретических представлений явно недостаточно дня разработки наиболее вф$ентившх с технологической точки зрения режимов ИЛС. Большинство опубликованных к настоящему времени научных работ относится н изучении полупроводниковых систем, в леновном, на основа кремния. Нельзя однозначно предсказать, кв-кош будут механизмы и эффективность смешивания реальных систем типа металл - металл. Практически полностью отсутствуют работы по физика - математическому моделироввш» происходящих при атом процессов. Оуществущиэ критерии ионно - индуцированного фазо-образования не полны в часто прогиворб ат друг другу. Наконец, недостаточно научена возможность совмещения ИЛС и прямой ионной имплантации и влияние такой обработки на триботехвдчаекие характеристики материалов.

Поэтому несомненно актуальным является изучение закономерностей модификации металлов методом ШЮ, что позволит выработать ноше подхода к направленному изменению состава, структуры и свойств шс поверхностей.

Настоящая работа выполнена на кафедре металлографии Московского института отала и сплавов в соответствии с программой фундаментальных исследований по проблеме "Космическая физика металлов", утверздшшей постановлением 1КНТ СССР от 27 мая 1987г. #.164, V- 3. 13. 6. 2. I.

- Паль работы состояла в выявлении закономерностей формирования состава, структуры и свойств поверхности металлов, лога-

рованша методом иошго - лучевого смешивания и получении на этой основе поверхности с заданными свойствами.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработвгь компьютерную программу для расчета энергии, внесенной облучающим ионом в поверхность смешиваемой системы с учетом субкаскадов собственных выбитых втомов мишени.

2. Установить критерий, позволяющий трэдоказывать направление преимущественного распространения элементов при смешивании.

3. lía примере систем А1/?е и Fe/W, облвпчщих различным набором основных параметров смешивания, установить влияние ион-но - лучевого тешвашя на фазовый состав их приповерхностных слоев.

4. Применить модель радаационно - стимулированной диффузии (РСД) для расчета глубины и профиля легирования при ионном смешивании в реальной двухслойной системе.

5. )ценить возможность совместного использования НЛО и прямой ионной имплантанта (ПШ) для повышения триботехнических характеристик поверхности железа.

Для решения данных задач применяли комплекс современных физических методов: Ока - влактроннуп спектроскопию (ОЭС), Мес-сбауэровскую спектроскопию конверсионных электронов (МСКЭ), просвечивающую электронную микроскопию (ШМ), рентгеновскую дифракции (РД). При моделировании использовали программу ТР!"М для расчета внесенной энергии и дефектообразования при облучении и математический метод сеток для решения системы дифференциальных уравнений.

Основные положения и результаты, вынесенные на защиту:

1. Компьютерная 'лрогрнмма, позволяющая рассчитывать рас-

првдвление энергии, внесенной ионом в каскадах атомных столкновений о учетом образования субкаскадов, создаваема! собственными выбитыми атомами мишени.

2. Экспериментальные результата определения профилей легирующих элементов (Al, Pe, W) в пршовэрхюстшх слоях а - fe и W после ИЛС, полученные методом ОЭС.

3. Влияние распределения упругой анергии, внесенной ионом в процессе облучения, на направление преимущественного распространения элементов при смешивании двухслойных систем ïe - W, W г- Ре и А1/?е.

4. Фшзико - математическая модель процесса радиационно -стимулированной даЩ&уаии при ИЛО. Результата мод' тирования РСД атомов Al в кзлазо при бомбардировка ионами Аг+.

б. Диагностика изменений структурного состояния и фазового соствва систем А1/?е и ïe - W после ИЖ л помощью методик МСКЭ, 1Ш и рентгеновской дифракции.

6. Способ синтеза A1N в поверхности а - Fe с использованием прямой ионной имплантации азота и смешивания ионами Аг+.

Практическая ценность работа. Новые вксперименталыше результата, полученные в данной работе, являются исходными данными для уточнения существуюцей и построения новой теории поверхностного легирования металлов методом ИЛС. Разработанный способ синтеза нитрида алшиния на поверхности a-fe с помощью ИЛО и прямой ионной имплантации может быть использовав для создания • технологии получения покрытий с высокой износостойкостью, йгаи-ко - математическая модель процесса радиационно - стимулированной диффузии прй ИЛО макет применяться для оценки глубины легирования и распределения атомов легирующего элемента покрытия по глубина образца основы.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались не:

1) 1-ой Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряжениях; частиц" (15 - 18 ноября 1988 г., г. Томск);

2) 19-ом Всвсозиом совещвиии по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами <30 мая - 3 июш* 1989 г., г. Москва );

3) З-ей Международной конференции по модификации материалов энергетическими импульсами и пучками частиц (4-8 сентября 1989 г., г. Лшзден);

4) 6-ой Гждуняродной школе по вакуумной, электронной и ионной технологиям (20 - 26 сентября 1989 г., г. Варна);

5) Всесоюзном совещании молодых ученых и специалистов "Радиационная физика твердого тела" (20-22 юаня 1991 г., г. Севастополь ).

ПУ тпсации. По материалам диссертации опуб/иковано 6 работ.

Объем работа. Диссертация состоит иа введения, )тырех глав, списка используемой литературы. Объем диссертации включает/» страниц машинописного текста, ¿Vрисунков, /О таблиц и список литературы, содержащий /4/ наименований.

Основное содержание работа.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации и ее практическое значение, формуЛ1труются основные цели и конкретные задачи исследования, видвитвются основные положения, выносимые на защиту и излагается структура диссертации.

В первой главе доссертацил проведен анализ современного

состояния про Слэш ионно - лучевой модификации поверхности металлических материалов, основанный на обзоре 95 научных публикаций в этой области. Рассмотрен принцип и основы метода ИЛС, обсуздавтся его преимущества по сравнению с прямой ионной имп-льнтациеЯ, приводятся разнообразные методики постановки вкспе-ридантов при различил геометриях образцов: маркерной, двух- и многослойной.

■ 'Анализ явлений, происходящих при ИЛС, основан на представлении ей образовании и развитии каскадов атомных столкновений и ■послэдуюцэй релаксации возведенных ионной бомбардировкой микрообъемов материала. Показано, что протекающие при иояиом смэ-шявании процессы, приводящие к изменению состава -риповорхпост-ных слоев, можно разделить не- атермячэсгаа (или баллистические) и термически активируемые. Подробно освещается такие баллистические процессы как обычное и предаю*. отельное распыление поверхности, имплантация прямых отдач (ПО) п каскадное (изотропное) смешивание. Особое внимание уделяется рассмотрению моделей термического пика и влиянию химических движущих сил на Ш10. Дан обзор современных теоретических моделей процессов радиационш -стшу-пированиой диффузии, радиационно - стимулированной сегрегации и сегрегации Гиббса. Определен круг параметров, оказывающих определяющее влияние на процессы смешивания. Показано, что у. основным из них' можно отнести: соотношение масс атомов двухслойной системы Ы1/Н2 к паданцих втомов Ми, анергия Е, доза Ф и ' плотность тока J падащих ионов, теплота смешивания системы АН^^, критическая температура Т0, выше которой ИЛС становится текгюратурно зависимым.

На основе, работ по исследовали» структурно - фазовых прев- рацездй (СФП) (Ханг, Майер, 1983, 1985; Лю, Дшнсон , 1983 -

1987), происходящих при ИЛС сформулированы типы данных явлений и дан обзор существующих критериев их протекания. Показано, что возможны три типа СФП: кристалл ~> кристалл, кристалл <-> аморфная фаза я кристалл -> квазикристглл. Анализ критериев ОШ покззывает, что хотя кавдый из них удовлетворительно описывает структурообразованив для больиих груш систем, во многих случаях наблвдвется расховдепш между прогнозами различных критериев или несоответствие их действительным вксперяментальным данным. Сделан вывод о необходимости дальнейшей работы в данной области.

В методической части работы приведены основные параметр^ смешиваемых с-.ютем, произведен выбор условий ионной бомбардировки и описана вксперкмантвлыше методы, применявшиеся для исследования состава и структуры модифицированной поверхности.

Выбор элементов смешиваемых систем основан на различии основных параметров смвшиввния: I) соотношенил масс падающих ионов и стадией атомной массы системы Ми/М(;{); 2) оплота смешивания и 3) критической температуры TQ, выше которой подвижность дефектов начинает оказывать существенное влиягче на процесс смешивагшя. В качестве основы применялись образцы чистого отожженного поликристалличэского железа с размером зерна «120 мкм и образцы монокристалличвспго вольфрама. То1!кие пленки А1, Ре и W толщиной 20 - 100 юч наносили методами магнвтрон-ного распыления и термического испарения. Механически полированная поверхность материала основы перед нанесением пленок подвергалась иошю - плазменной обработке Аг+ при остаточном давлении ~ Ю--1 Па. Т зциня пленок контролировалась с помощью профиломэтра Talystep. Приготовленные таким образом двухслойные системы облучали при комнатной температуре потоком ионов инарт-

них газов (Аг4, Кг+ к Ха+) или химически активных ионов (N^) с анергиями от 60 до 250 каВ при суммарных дозах облучения от 7*1015 до 3x1О17 ион/см-2 и плотности тока от 0.2 до 5 мкА/см2.

Структуру приповерхностных слоев до и после смешивания изучали методом рентгеновской д. фракции в ассиметричной Брвг-говской геометрии при угле падения пучка рентгеновских лучей ф в интервале 0.1 - 6 град.

Фазовый состав поверхности a-fe на различных стадиях ионного смешивания исследовали методом Мессбауаровской спектроскопии конверсионных электронов.

При исследовании фазообразования в поверхности системы Al/fe после обработки с помощью ПИИ и НДС использовали просве-чиващую электронную микроскопию в режиме микродифракции.

Для получения профилей концэвтращш смешиваемых элементов по глубине образца применяли метод Оке - электронной спектроскопии с послойным распылением поверхности ионами Аг+ с энергией I кэВ. Помимо Охе - пиков элементов исследуемой системы спектры поверхности ойразцов аодерхали пики от углерода и кислорода, которые зависели от чистоты проведения экспершента и не воспроизводились от образца к образцу. Поэтому, в каждой анализируемой точка проводили вычитание сигналов данных примесей и определяли значение концентрации одних лишь смешиваемых элементов, сумма которых принималась за I0GÍ.

Для расчета распределения энергии, вносимой облучавшим ионом по глубине при упругих столкновениях a атомами мишени, на базе стандартной програмш ТРИМ (Зиглер, Биерсак, Литтмарк, 1980, 1985) были разработана ее новая версия, учитывающая передачу энергия не только в столкновениях иона с атомами, но и в каскадах от собственных выбитых атомов мишени. На примере сис-

теш Ре - » показвно, что учат субкаскадов особенно важен в случае облучения металлов с большой атомной массой тяжелыми нонами (Ха+).

Для установления влияния распределения внесенной энергии на направление преимущественного распространения элементов при НДС проведен эксперимент в системах Ре/И и т.е. при изме-

ненной последовательности наиэсения слоев. При атом все основные параметры смешивания (соотношение массы пад ицего иона и средней атомной массы системы . теплота смешивания ЛИ^^и

критическая температура начала РСД Т0) остаются без изменения.

I3

«У '

О 100

X 50 О

Рис.1. Профили распределения.внесенной энергии по глубине образца X после облучения ионами Хе+, рвссчитанные с помощью модифицированной программы ТРИМ для систем 1К?0нм)/Ре (а) и Ре(130нм)Л? (б). На рис. 1(в,г) ддны профиш концентрации элементов по глубине в ссзгветствупцих системах до (---) и после

(--) смешивания дозой 3x101® Хе+/см2.

Црофвди внесенной энергии Рй(з), рассчитанные с помощью модифицированной программы ТРИМ для смешивания систем Fe/W и W/Fe ионами Хе+, приведены на рис. 1(а,б). Видно, что несмотря на смену чередования сдоев значение внесенной ваергии вблизи внутренней границы раздела F^ больше для верхнего слоя обеих систем, чем для материалов основ (рис. 1).

На рис. 1 (в,г) представлены концентрационные профили двухслойных систем «(20вм)/Те и Fe(60sM)/W по глубине до и после воздействия на них ионами Хе+ с энергией 240кэВ и 250кэВ, плотностью тока 0.2 и 0.3 мкА/см2 и дозой ЗхЮ16 ионов/см2, соответственно. Из рисунка видно, что в результате облучения в обеих системах имеет место преимущественное про. лшоваша элемента основы (Fe в системе К(20нм)/?е и'й в системе ?е(50нм)/Я) в пленку и его накопление на поверхности образца. Сопоставление концентрационных профилей о распределениями внесенной ионной бомбардировкой вдаргш показывает, что преимущественное распространение вламентов происходит в направлении слоя о большим значением внесенной анергии, т.е.-о более высокой концентрацией дефектов.

Оапоставдание концентрационных профишй с длиной проакцн-.онного пробеге ионов Н^ показывает, что смешивание в системах Fe/W и W/Fe происходит на глубине, соизмеримой с Hp, т.е. в пределах объема, в котором происходит развитие каскадов атомных столкновений.

Для подтверждения вывода о направлении преимущественного распространения элементов при смешивании провели эксперимент в системе Al/Fe. При этом смешивание проводилось ионами Аг+, Кг+ и Хе4 (в порядке увеличения их атомных масс) с анергией 120, 160 и 80 кэВ, плотностью тока 0.3, 0.8 и б мкА/см2 и дозами в

интервале от 7x1015 до 3x1016 ионов/см2, соответственно. Основные параметры смеиивания в втом эксперименте, как и пря 11Я0 систем Ре/TS и ff/Fe, остаптся неизменными при смене облучанцего иопа.

ГМУБИНЯ У, я и

Рис.2. Профили распределения внесенной энергии Fd По глубине образца X после облучения ионами /г+(а), Кг+(б) и Хе+(в,, рассчиташше с помощью модифицированной программы Ti ЛМ для системы Al/Fe. На рис. ?(г,д,е) данУ профили концентрации элементов по глубина облучения до (---) и после (-) смешивания

соответствуют™ типом ионов с дозой 3x1016 ионов/см2.

На рио. 2(в,б,в) даны профили внесенной анергии Рй(х), рассчитанные для данной системы и условия эксперимента с помощью модифицированной программы ТРИМ. Из рио. 2(а) видно, что при облучении ионами Аг+, обладапцими относительно небольшой атомной массой, рассчитанное значение' внесенной анергии вблизи границы раздела слоев примерно одинаково как в слое А1, так и в слое ?е. При воздействии ионами Кг* и Хе+, обладающими большей атомной массой, значение в слое железе выше, чем в слое алшиния (рис. 2(б,в)).

• Характер взаимного проникновения вламентов данной системы до и посла ИЛС представлен на рис. 2(г,д,е). При облучении ионами Аг+ при всех использованных дозах облуче я на поверхности остается алой А1 толщиной « 70ны, а размер смешанной области невелик и составляет м 1Онм. Ионная бомбардировка приводит к равномерному взаимному проникноь-нию влеиентов из одного олоя в другой, увелшчиваодийся с ростом дозы облучения (рис. 2г). При воздействии ионами криптона и ксенона смешивание имеет совершенно иной характер (рис. 2д,е). В втом случае размеры смешенных областей при аналогичных дозах облучения значительно больше (« 30-40 нм),а смешивание происходит путем преимущественного проникновения атомов А1 в железную матрицу. Таким образом, подтверждается вывод о преимущественном распространении элементов в слой с большим значением внесенной анергии т.е. с Солее высокой концентрацией радиационных дефектов.

Поскольку размер смешанных областей в исследованных системах ¿1/Рё правимая размеры соответствующих каскадных областей, то было предпо'локено, что на результат смешивания оказывает влияние процесс радаационно - стимулированной диффузии.

Для проверки втого предположения была разработана модель.

описывающая РОД атомов лэгирупцего элемента пленки о концентрацией СА и основы с концентрацией Св в присутствии неравновесных концентраций вакансий и межузельиых етомов создаваемых ионной бомбардировкой. Данная модель основана на решении следующей системы дифференциальных уравнений:

Э0„

а^ » у«^) + к^ - аде, - кувсусв, (1)

ас.

зг = + к01 - к^о^ - к1во.св, (2)

- <3>

аоп «

®РСД - »Vе, + <Б>

пря граничных и начальных условиях, соответствующих ИЛО в двухслойной геометрии.

Считали, что распределение точечных дефектов К0(х), участвующих н РОД, совпадает для обоих типов дефектов и К0(х) « а?(г), где а - коэффициент, учитывающий их внутрикаскадную рекомбинацию, а ?(х) - профиль смещенных при облучении атомов мишени , рессчитаншй о помощью кодифицированной программы ТРИМ. Значение а принимали равным 0.0) согласно литературам данным (Ыыоерс, 1980), а ташка оценивали теоретически (Видерзик, 1990). Предполагалось, что дефекты, прииимапцие участие в РСД, уничтожаются путем взаимной рекомбинации и на ненаешцаюцихея стоках (дислокациях, границах зерен и т.д.) о константами скорости К^ ^ и Кц чсоответственно. Коэффициент РСД рассчитывался согласно формула (5) , где - коэффициенты диффузии вакансий и межузельных атомоь в смешанной области. При моделировании пренебрегали: 1 взаимодействием штоков атомов и дефек-

IS

tob и 2)образовавши соединений и фаз в перемешанном слое.

л

о Ч ь

СИ

о.

i 1ч

;г

Q

Ч

ÜS

о

ÜS

iaj тш плотность стсв

---5ЛС/7. З'!0'*смг

-вьшог.: f , нсомуч.

2 - Т■ fO*t»г

5- 140смг

Ч - f iftfcM"1

/

• -—

W4

ß) Висош платность ста/ccs

- • - бычке*. 1с0/к„,„

1

N

OS 5р

1 *

е

•ч

1 £ 7 о

о о

«3

100 Z00

ГЛУБИНА X, НМ

Рис.3. Профили концентрации влшиния СА1 (х) в системе А1(100нм)/?е, рассчитанные в рамках модели РОД, для случая низкой (а) и высокой (б) плотностей стоков дефектов и разных доз облучения: 1 - нвоблученный; г - 7x1015 Аг^/см2; 3 - 1x1016 Аг+/см2; 4 - 3x1016 Аг^/см2; 5 - 1x1017 Аг+/см2. Пунктирная линия на рис. 1 (а) обозначает экспериментальна профиль А1 для дози 1х101бАг+/см2, а штрих - пунктирная - рассчитанное распределение дефектов, участвупцих в РОД К0(х).

С помочью предложенного метода моделирования проведены расчеты диффузионных профилей атомов пленки Al толщиной 10Cteii в гелезной основе для режима смешивания, соответствующего проведенному эксперименту. Были использованы следующие значения ко-' аЫициентов: К^ ч » 6x10го м-2, энергия активации мщ^ации вакансий ^ = 1.3 8В и межузэлышх атомов Е? = 0.16 вВ, предэкс-поненциальный фактор DQ = 8r10~2 а/Р/с (Роман, 1969; Ним и др. 1988). На рис. 3(а,б) показаны расчетные данные для случая основы о высокой плотностью стоков, что соответствует a-Fe с мелким зерном или материала о низкой плотностью стоков (крупнокристаллическое келезо после отянга), соответственно. В последнем случае, отвечающем условиям проведенного эксперимента, наблюдается согласие между экспериментальным (пунктирная линия, доза 1x1016 конов/см2) и рвссгатанннм для той аэ доза облучения профилем (рис. 3(а}).

Штрих - пунь.гарной линией на рис. 3(6) обозначено распределение KQ(x) дефектов, учвствугцих в РОД. Из рис. 3(6) видао, что при дозах до 3x1016 см"2 профиль атомов Al легат в области развития каскада атомных столкновений, в при больших ионных дозах выходит за ее предела. В случве низкой плотности стоков, как видно из рис. 3(э), это происходит уха при D > 7s101s см-2, что объясняется более высокими значениями длин пробега дефектов до аннигиляции на стоке. В результате, глубины легирования при одинаковых временах облучения будут большими при использовании в качестве основы материала с меньшей плотностью стоков дефектов, что согласуется о экспериментальными двнными (Пекшева, Комаровский, 1989, 1990).

Таким образом, показано, что приведенная модель качественно верно описывает РСД при ионном смешивании, что дает возмох-

ность рассчитывать профшь и глубину легирования ь зависимости от реюша облучения и характеристик смешиваемых элементов.

Фазовый состав поверхности систем Al(100нм)/?е и Ре(50нм)/1Г исследовали методами ОЭС, РД и МСКЭ. Как видно иэ рис. 1(в,г) на концентрационных профилях, полученных методом ОЭС и соответствующих воздействию ионами Кг+ и Хе+, присутствуют области с примерно постоянной концентрацией элементов, отвечающие составам Fe3Al и AljFe, соответственно. Методом МСКЭ было проведено более подробное исследование фазового состава поверхности системы Al/Fe на разных стадиях приготовления образцов: 1) исходной поверхности a-Fe; 2) образца с нанесенной Еленкой Al и 3) системы после ИЛС ионами Аг+ с Е = 120кэВ и до зами от 1x1016 до 3x1016 см-2. Установлено, что.в исходном образца присутствуют фазы a-Fe и Fe^C. Нанесение покрытия приводит к появлению фазы с составом Al28Fe7g. После ионной бомбардировки возникает новая фаза с составом Al20Feg0, что коррелирует с большой отрицательной теплотой смешивания (iHrnir = - 32 кДж/моль (Маедама, 1976, 1983)) данной системы. Согласно диаграмме состояния ати составы лекат в области гомогенности фазы Fe3Al, которая при нагреве претерпевает фазовый переход от низкотемпературной упорядоченной (Ц к высокотемпературной неупоря-доченой a-фазе. Наблюдение фаз А123?е72 и Al20Fe80 с практически одинв ковым составом привело нас к следупцей вероятной картине фаэообрвзования. В процессе нанесения покрытия при повышенной температуре' возникает упорядоченная р1-фаза. Облучение высокоэнергетическими ионами Аг+ приводит к ..лговенному нагреву каскадного объема до Т ~ Fd/k ~ 103 К и его последующей резкой закалке,что создает разупорядоченнув a-фазу. Дефицит атомов Al в ней связан, по - видимому, с его переносом вглубь хелезной

основы о помощью процесса РСД.

.jniitiiiitiniiiiiiiiii iuiu)uuiuu) J

rf I----(r)[

j Зх10"х«*спГ"

1-я

до oasutua

STWTKrSKTSJní

Houap unn

Рис.4. Спектры конверсионных электронов для системы ?е(50нм)/1» до (в) и после смешивания юнвмн Хе+ с анергией 250 кав, плотностью тока 0.3 ика/см2 и дозами 7x1o15 (б), 1x1016 (в) и ЗхШ1бсм~2 (г).

На концентрационных профилях системы Ре(50ям)/«, соответствующих смешиванию ионами Хе+ в анергией 260 кеВ, плотностью тока 0.3 мкА/см2 и суммарными дозами от 7x1015 до 3x1016 ионов/с^, также присутствуют области постоянной концентрации, свидетельствужщие о возможном образовании соединения (рис. 1(г)). Спектры конверсионных электронов данной системы до и после облучения дозами 7x1015, 1хЮ16 и 3x1016 Хе+/см2 представлены на рис. 4(а~г). Расшифровка результатов эксперимента показала, что в поверхности исходного образца содержится фаза a-Pe, a в обрвзцвх после ИЛО присутствуют фазы Pe£W, и

аморфная фаза, количество которых возрастает с увеличением дозы облучения. Данные РД подтверждают бтот факт. Показано, что фа-зообразовашга в системе Fe/W согласуется о критерием (Лв,

1987), в соответствии с которым формирование аморфных фаз в системах с нулевой теплотой смешивания и большим максимально возмоаашм концентрационным интервалам выорфизации возможно, но необязательно. Получетшэ результаты объясняются быстрым нагревом каскадного объема при облучении с последующей его резкой закалкой до комнатной температуры.

В работе оценена возможность совмещения методов прямой ионной имплантации и ионного смешивания для формирования покрытий, обладавших повышенными гриботехничэскими характеристиками. Поскольку нитрида металлов и в частности нитрид алшиния A1N обладают высокими механическими характеристиками и, следовательно, износостойкостью, предлагается способ модификации поверхности a-Fe с использованием методов: 1 )Ш10 ионами Аг+ для повышения адгезии покрытия к основе и образования интерметол-лических фаз на границе раздела слоев и 2)прямой ионной имплантации для синтеза соединения A1N в пленке алшиния.

Выбор режимов обработки основан на моделировании торможения иопоа Аг+ и Ng в исходном двухслойном образце с помощью модифицированной программы ТРИМ. Показвно, что при ПИИ енергия вносимая ионами теряется в пленке Al не способствуя перемешиванию атомов Al и Fe, а создание перемешанного слоя обеспечивается облучением более тяжелыми ионами Аг+.

Сравнение рассчитанного и измеренного с помощью ОЭС профилей внедренного азота показало, что средний проекционный пробег Нр ионов азота составлял ~ 50 нм и, таким образом, почти весь внедренный азот оставался в илэнке Al. Максимальная концентрация азота составляла 54ат.Ж. Экспериментальный и рассчитанный профили практически совпадают за исключением участков, соответствующих интервалам глубин от О до 20нм и от 100 до 130нм, что

связано с наличием на поверхности топкого слоя окисла и массо-перэносом азота вглубь основы за счет ее разогрева при облучении, соответственно.

Об образовании фазы А1Н свидетельствует корреляция между профилем А1, входящего в состав нитрида и профилем азота. Данный результат был подтвержден путем электронно- микроскопического исследования поперечного среза имплантированного образца на просвет. В результате расшифровки картин микродифракцки установлено, что в модифицированном облучением покрытии присутствуют поликристаллические слои А1 н его нитриде.

Установлено, что при увеличенш дозы шгиантацик выше 1х1017см~2 на поверхности образцов образуется блистера, что негативно оказывается на триботехничесюи характеристиках системы. _______

f

о.а о.а 0,1-о.о

<0-1

Яг М24ЙГ •И'

<Й

(г)

Рис.5. Коеффициент трения I оснош а-?е (а), системы

Л1(100нм)/Ре до (б) и после смешивания ионами Аг* о £=120к8В и 1А ?

Ф*ЗхЮ см (0) и после совместной обработки ИЛО и ПИИ ионами с Е*50квВ и Ф=1зЮ17см~2 (г).

Трибатахничесюге характеристики исследовали с помощью установки, функционирущей по схеме "штифт на диске" с использованием цилиндрического стержня из нитрида бора кубической модификации с полированным полусферическим основанием радиуса 1±Q.l мм. Дня обеспечения смазки, а также теплоотвода и удаления продуктов износа из зоны трения использовали метиловый спирт. Нагрузку силы трения регистрировали непрерывно в ходе испытаний с помощью тензодатчика, установленного на рычаге крепления штифта, выполненного в виде пластинчатой пружины.

Результаты испытаний свидетельствует об уменьшении коэффициента трения системы Al/ïe по сравнению с исходным a-Fe в 1.35 раза после ИЛО и в 2 раза после совместной обработки с помощью ПИИ и Ш1С (рис. 5). Данный эффект может объясняется совместным влиянием ряда факторов, в том числе образованием интерметаллических фаз при ИЛС и дисперсионным упрочнением поверхности вследствии образования A1N после последующей ПШ азота.

Таким образом, в данной работе показано, что ПИИ в сочетании с ИЛО могут успешно применяться для формирования износостойких покрытий, включащих нитрид алюминия на поверхности железа.

Основные результаты работы.

I. Разработана новвя версия программы ТРИМ, для расчета распределения энергии, внесенной ионом в каскадах атомных столкновений и позволяющая учитывать субкаскады, создаваемые собственными выбитыми атомами мишени. С помощью модифицированной программы проведены расчеты распределений энергии, внесенной ионами в процессе атомных смещений в системах Fe/W, W/Fe, А1/?е и Fe/V.

2. Методом Оке - электронной спектроскопии полечены концентрационные профили элементов по глубине исследуемых двухслойных металлических систем до и после облучения их ионами Аг+, Кг+, Хе+ и N^ в широком диапазоне доз, энергий и- плотное--тей тока.

3. На основе сопоставления югонцентрационных профилей элементов с рассчитанными распределениями внесенной энергии показано, что преимущественное распространение элементов при ШЮ происходит в сторону слоя с большим значением внесенной энергии, а следовательно и а большей концентрацией радиационных дв-т фактов. Установлено, что предложенный критерий справедлив как в случае WIG системы Ре - W, когда смвишввшю протекает по механизму термического пика, так и при ИЛС систем Al/Fe и Pe/V, реализующемся путем развития линейных каскадов и радиационно -стимулированной даМузии.

4. Разработьла модель радиационно - стимулированной диффузии при ионном смешивании реальной двухслойной системы, позволявшая рассчитывать профиль и глубину легирования в зависимости от режима облучения и характеристик смешиваемых элементов. На примере расчетов РСД атомов А1 в железную основу при ШЮ ионами Аг+ показано, что модель качественно верно описывает процесс РОД, а рассчитанный профиль легирования удовлетворительно согласуется с полученным экспериментально.

Б. На примере исследования двухслойных систем Al/Fe и Fe/W (датодвми МСКЭ и РД показано, что образование различных фаз при смешивании происходит как в процессе нанесения плеши легирующего элемента, так и в результате закалки каскадного объема, обдезудаегося при смешивании и имеющего температуру около 10э №,„ до. комнатной тешарвтуры. Показано, что образование аморфной

фазы при ШО системы Pe/W согласуйся с критерием амортизации Лю.

6, Установлено, что ионно - лучевое смешивание в сочетании с прямой ионной имплантацией могут успешно применяться для формирования покрытий с повышенными триботехническими характеристиками и содержащих нитрид алюминия на поверхности железа. Показано, что НЛО системы Al/ïe приводит к снижению ее коэффициента трения в 1.3 раза по сравнению с исходным образцом a-Fe, а комплексная обработка с помощью ПИИ и ШО - в 2 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Номаровский И.А., Чулятова Л.П., Мурзин И.Г. Влияние плотности потока ионов на эффективный коэффициент диффузии при смешивании в системах Fe - W и Fe - Nb / В сб.: Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Ч. 4, Томск: ГПИ, 1989. - О. 56 - 57.

2. Чупятова Л.П., Комаровский И.А., Мурзин И.Г., Видвнсная Т.Е. Поверхностное легирование ванадия алшинием и вольфрамом методом ионного смешивания /19 Всесоюзное совещание по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Таз. докл. -Москва. 1989. - С. 176.

3. Choupyatova I.P., Komarovaky I.A., Murzln I.G., VldensKaya Т.Е. The alloying oi iron and vanadium by W, Nb and Al by ion - beau mlxlng / 3rd International Coni. on Energy Puise and Particle beam modification of matériels. - Eresden, 1989. - Abatracta. - p. 6.05.

4. Ohoupyatova L.F., Komarovsky I.A., Murzln I.G., Vllenstaj Т.Е. Interracial mlrlng ol Fe an<l V «rlth coated W,

Nb and A1 films Induced by ion Irradiation / Sixth International School on Vacuum, electron and Ion technologies. -Varna, 1989. - Abstracts. - p. 63.

б. Чуштова Л.П., Комаровский И.А., Пвкшева Т.Е., Мурзин И.Г. Легирование поверхностного слоя келэза методом ионного смешивания // Поверхность. 1991. JS6. 0. 113 - 120.

6. Чуштова Л.П., Мурзин И.Г., Пвкшева Т.Е., Комаровский И.А. Синтез нитрида алюминия на поверхности а - Ре с использованием ионно - лучевого смешивания и прямой ионной гашлвнтации У/ Письма в ЮТ- 1991. Т. 17. вш. 15. О. 69 - 72.

Заказ /М Объем 1 п.л. Тирах 100 экз. Типография ЭОЗ ШСиС, ул. Ордасаникидзе, 8/9