Механизмы имплантации в металлы и сплавы ионов азота с энергией 1-10 кэВ (стр. 9 из 12)
Из анализа графиков на рисунках 4.2 и 4.3 можно предположить, что на физико-механические характеристики поверхностного слоя образцов из стали Р6М5 более существенное влияние оказывают вакансии, чем примесные атомы, что согласуется с данными работ [3, 58, 89, 93].
Рисунок 4.4 – График распределения остаточных концентрационных напряжений в стали Р6М5 после имплантации.
По результатам расчёта распределений дефектов и примесных атомов на рисунке 4.4 построены графики остаточных концентрационных напряжений в стали Р6М5 в безразмерных координатах σ/μ, где μ – модуль Юнга стали Р6М5. Для аналогичных условий проведения процесса имплантации азота (сталь Р6М5, энергия ионов 2, 4,5 и 7 кэВ, доза имплантации 1021 м-2) в литературе [3] приведены экспериментальные данные по изменению относительной микротвёрдости η:
, (4.1)где HV1 – микротвёрдость образца после ионной имплантации азота, HV – микротвёрдость образца до имплантации.
Экспериментальные данные по изменению относительной микротвёрдости объединены в таблице 4.5 с данными характеристик имплантации ионов азота с энергией 2, 4.5 и 7 кэВ для стали Р6М5, взятых из таблиц 4.1 - 4.4 и из анализа графиков, приведённых на рисунках 4.1 – 4.4.
Таблица 4.5 - Зависимость характеристик материала подложки от энергии имплантируемых ионов
| Ускоряющее напряжение U, кВ | 2 | 4,5 | 7 |
| Энергия ионов Е0, кэВ | 2 | 4,5 | 7 |
| Средний проецированный пробег Rp, Å | 84,6 | 183,6 | 255,0 |
| Страгглинг среднего проецированного пробега ΔRp, Å | 24,7 | 53,7 | 74,6 |
| Максимальная концентрация внедрённой примеси Сimax * 1028, м-3 | 12,9 | 5,9 | 4,3 |
| Максимальная концентрация дефектов Сvmax * 1028, м-3 | 44,3 | 9,1 | 4,1 |
| Глубина максимальных остаточных концентрационных напряжений xσmax, Å | 80,0 | 180,0 | 260,0 |
| Максимальные остаточные концентрационные напряжения σmax * 109, Н/м2 | - 3,5 | - 1,8 | - 1,3 |
| Предел прочности при разрыве σв * 109, Н/м2 | 6,2 | ||
| Относительная микротвёрдость η | 1,19 | 1,47 | 1,89 |
Из анализа данных, приведённых в таблице 4.5 следует, что с увеличением энергии на 2,5 кэВ относительная микротвёрдость увеличивается в среднем на 21 %. Увеличение микротвёрдости объясняется тем, что с повышением начальной энергии ионов они проникают на большую глубину, и их распределение по глубине становится более равномерным. Следовательно, более равномерно распределены и напряжения сжатия, благодаря действию которых происходит упрочнение материала. Также необходимо отметить, что с повышением энергии иона уменьшается концентрация вакансий (они создают напряжения растяжения, разупрочняющие материал), а значит уменьшается вклад создаваемых ими напряжений в остаточные концентрационные напряжения.
Из анализа результатов расчётов, приведённых в таблице 4.5 и графика на рисунке 13 следует, что для стали Р6М5 при дозе имплантации 1021 м-2 максимальные остаточные концентрационные напряжения σmax меньше предела прочности при разрыве σв. Таким образом, модифицированный поверхностный слой материала подложки обладает некоторым запасом прочности и, если напряжения, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации изделия не будут превышать σв, то изделие пригодно к эксплуатации; иначе в его поверхностном слое могут возникнуть трещины и произойдёт разрушение материала.
Итак, складывая остаточные концентрационные напряжения σmax и эксплуатационные напряжения σэксп (которые определяются на месте эксплуатации), мы можем предсказать, выдержит ли материал нагрузки при эксплуатации. С помощью разработанной методики и программного ообеспечения можно решить и обратную задачу: подобрать такую энергию иона E0 и дозу имплантации Ф, при которых для данного материала σmax+σэксп<σв. Итак, в работе решена поставленная задача – составление прогноза о эксплуатационном поведении материала в зависимости от ТПО. Взаимосвязь между ТПО и эксплуатационными свойствами поверхностных слоёв материала подложки изображена в виде схемы на рисунке 4.5.
Чем больше ток на катоде, тем больше полная доза имплантированных ионов азота, тем выше лежат максимумы концентраций ионов и дефектов после имплантации на графиках их распределений (рисунки 4.2 и 4.3). Чем больше время процесса имплантации, тем более сглажены (максимумы понижаются) кривые распределений дефектов и остаточных концентрационных напряжений, так как в материале подложки происходят процессы рекомбинации точечных дефектов, уменьшающие их концентрацию.
Рисунок 4.5. Схема связи между технологическими параметрами обработки и эксплуатационными свойствами модифицированных поверхностных слоёв материала.
Чем выше напряжение между промежуточным анодом и катодом, между анодом и катодом, между анодом и экстрактором, тем выше энергия иона, а значит больше и его пробег. Вследствие этого сглаживаются кривые распределения ионов, дефектов и остаточных концентрационных напряжений после имплантации. В конечном итоге это сказывается на повышении микротвёрдости и износостойкости поверхностных слоёв легируемого материала.
В следующем разделе описано экспериментальное оборудование, позволяющее производить имплантацию ионов азота с энергией 1 – 10 кэВ (
Дж) в металлы и сплавы.5. Экспериментальное оборудование
5.1 Установка для ионной имплантации азота в инструментальные материалы
Для экспериментальной проверки получившихся результатов создается установка для имплантации ионов азота с энергией 1 – 10 кэВ (
Дж) в металлы и сплавы. Установка для ионной имплантации азота в инструментальные материалы включает в себя следующие элементы:1) ионный источник (плазмотрон);
2) система электропитания ионного источника;
3) система вакуумирования;
4) устройство для измерения дозы имплантации.
Ионный источник должен обеспечивать формирование и экстрагирование ионного пучка из газообразного азота при нормальных условиях рабочего вещества. Система вакуумирования должна обеспечивать остаточное давление в рабочей камере порядка 10-2 – 10-3 Па [3]. Конструкция системы электропитания установки должна обеспечивать функционирование ионного источника, подачу высокого (от 1 кВ) ускоряющего напряжения между рабочей камерой и ионным источником и безопасность персонала при работе с высоким напряжением. Устройство для измерения дозы имплантации должно обеспечивать измерение дозы с максимально возможной точностью.
Рисунок 5.1 - Схема размещения узлов экспериментальной установки.
1 – вакуумные насосы; 2 – вакуумная камера; 3 – ионный источник; 4 – источник питания плазмотрона; 5 – высоковольтный источник питания; 6 – стойка управления системой вакуумирования; 7 – блок управления системой электропитания ионного источника.
В соответствии с изложенными требованиями создаётся установка для ионной имплантации ВИУ-1, схема размещения элементов которой показана на рисунке 5.1, а общий вид установки для ионной имплантации приведен на рисунке 5.2.
В качестве ионного источника использован дуоплазмотрон, разработанный в МАТИ им. К.Э. Циолковского (рисунок 5.3), который предназначен для ионизации газообразных веществ.
В качестве системы вакуумирования используется вакуумная установка для напыления покрытий методом КИБ ВУ-1Б, которая обеспечивает требуемое остаточное давление в вакуумной камере. В состав установки ВИУ-1 входит система электропитания дуоплазмотрона.
Рисунок 5.2 – Общий вид экспериментальной установки.
1 – ионный источник; 2 – вакуумная камера на базе установки ВУ–1Б; 3 – стойка управления системой вакуумирования; 4 – блок управления системой электропитания ионного источника.
5.2 Устройство системы электропитания имплантационной установки
Функциональная схема системы электропитания имплантационной установки, изображенная на рисунке 5.3, включает следующие элементы:
· блок управления;
· источник питания плазмотрона;
· высоковольтный источник питания (ВИП).
Блок управления предназначен для выдачи необходимых регулирующих сигналов на источники питания плазмотрона и ВИП. Источник питания плазмотрона предназначен для поддержания на заданном уровне электрических сигналов, обеспечивающих функционирование дуоплазмотрона.
Рисунок 5.3 – Функциональная схема системы электропитания имплантационной установки.
Высоковольтный источник питания предназначен для подачи на установку высокого ускоряющего напряжения. В схеме пульта управления предусмотрена возможность не только ручного, но и внешнего регулирования электрических параметров, в том числе от персонального компьютера.