2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................4
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР........................................................12
1.1. Имплантация ускоренных ионов в вещество..............................12
1.2. Представление о механизме ионной имплантации. Физические
процессы в зоне пробега ионов и ее окрестности.........................14
1.3. Экспериментальные данные и теоретические представления о
природе и механизмах «эффекта дальнодействия»..........................16
1.4. Влияние ионного облучения на структуру и свойства алюминия и
его сплавов............................................................31
1.5. Алюминиевые модельные и деформируемые конструкционные сплавы. Свойства, фазовый состав и особенности термической
обработки..............................................................37
Постановка цели и задач исследования..........................................45
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА..........................................49
2.1. Материалы и их обработка.............................................49
2.1.1. Модельный сплав А1 - 4 мас.% Си.................................49
2.1.2. Промышленные алюминиевые сплавы АМгб и 1441....................51
2.2. Методика ионной имплантации..........................................55
2.2.1. Оборудование для ионной имплантации.............................55
2.2.2. Исследование температурных режимов облучения алюминиевых сплавов ионами Аг+ в зависимости от
энергии и плотности ионного тока.................................56
2.2.3. Расчет проективных пробегов ионов Аг+ и А1+ в исследованных алюминиевых сплавах......................................58
2.3. Методы исследования..................................................60
3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПАДА ПЕРЕСЫЩЕННОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА В МОДЕЛЬНОМ СПЛАВЕ А1 - 4 мае. % Си ПРИ ОБЛУЧЕНИИ УСКОРЕННЫМИ ИОНАМИ Аг* И А1*.......................................66
3.1. Металлографический анализ исходной зеренной структуры
образцов закаленного сплава А1 - 4 мае. % Си...........................66
3.2. Электронно-микроскопические исследования микроструктуры сплава А1 - 4 мае. % Си в исходном, естественно состаренном и облученном ионами Аг+ и АГ состояниях.....................................67
3
3.3. Результаты измерения микротвердости.................................78
3.4. Рентгеноструктурные исследования....................................87
Выводы.......................................................................97
4. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ИОНОВ НА
ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННЫБ ПРОМЫШ-ЛЕИНЫЕ СПЛАВЫ АМГ6 И 1441. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ......................................101
4.1. Сплав АМгб........................................................101
4.1.1. Результаты механических испытаний..........................101
4.1.2. Изучение роли плакирующего слоя в изменении механических свойств сплава АМгб при ионном
облучении....................................................108
4.1.3. Металлографический анализ структуры сплава АМгб.............112
4.1.4. Результаты электронно-микроскопических
исследований облученных образцов сплава АМгб.................114
4.2. Сплав 1441........................................................129
4.2.1. Результаты механических испытаний...........................129
4.2.2. Металлографический анализ образцов сплава 1441..............133
4.2.3. Результаты электронно-микроскопических
исследований.................................................138
4.3. Влияние температуры образца на изменение механических
свойств и микроструктуру сплавов АМгб и 1441 при облучении.........156
4.4. Сравнение характера влияния ионного облучения и нагрева (аналогичного нагреву при облучении) на структуру
холоднодеформированных сплавов АМгб и 1441.........................159
4.5. Способ ионно-лучевой обработки листового проката из
алюминиевых сплавов..............................................170
Выводы......................................................................176
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................178
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................180
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................185
ВВЕДЕНИЕ
4
Как показали исследования последних десятилетий, использование пучков ускоренных ионов является одним из перспективных направлений в области создания новых технологий обработки материалов. Структурное состояние и физические свойства веществ, подвергнутых ионно-лучевому воздействию, существенно отличаются ог соответствующего состояния и свойств веществ после обычной термической обработки или других традиционных видов воздействия. В ряде случаев удастся получить уникальные элекгрические, магнитные, механические, трибологические и другие свойства материалов.
При наличии большого числа примеров благоприятного воздействия ионной имплантации на различные свойства материалов серьезной проблемой остается повышение глубины модифицируемой зоны, которая в обычных случаях соизмерима с проективным пробегом ионов Яр в твердых телах и составляет при энергиях 10'1 - 10° эВ несколько десятков или соген нанометров.
Существенно расширить возможности ионной имплантации позволяет использование эффекгов дальнодействия, проявляющихся в изменении структуры и свойств материалов, подвергнутых воздействию ускоренных ионов, на расстояниях от облученной поверхности, многократно (иногда более чем в 103 - 10'* раз) превышающих толщину легируемого поверхностног о слоя.
Наименее изученными как экспериментально, так и теоретически, являются эффекты инициирования ионным облучением распространяющихся вглубь вещества структурно-фазовых превращений в металлах и сплавах. Такие превращения не связаны с ионным легированием. Они являются результатом радиационно-динамического воздействия пучков ускоренных ионов и представляют собой быстропротекающие процессы смены типа кристаллической решетки всего объема макроскопических образцов, выделения новых фаз, формирования ближнего и дальнего атомного порядка во всем объеме металлических мишеней. Радиационно-динамические эффекты были обнаружены при воздействии ионов средних энергий (10 - 100 кэВ) на неравновесные (метасгабильные) среды с высокой запасенной энергией. К настоящему времени эти эффекты исследованы в ультрамелкозернистых Ре, Си, а также в ряде сплавов: Ре-ТН, Ре-А1, Ре-81, Ре-хМп, Рс-Сг, Рб-Си, Ре-Ра-Ли.
Проявление рассматриваемых эффектов в различных средах индивидуально и зависит от отклика подвергаемой воздействию среды. Выяснение условий имплантации
5
для изменения свойств на большой глубине в каждом конкретном случае требует специальных фундаментальных исследований.
В связи с этим представляет интерес детальное изучение воздействия пучков ускоренных ионов на сплавы с различным типом структурно-фазовых и внутрифазовых превращений. В настоящей работе в качестве объектов исследования были выбраны сплавы на основе алюминия в мстастабильном (закаленном и холоднодеформированном) состоянии.
Алюминиевые сплавы, обладая повышенными технологическими характеристиками, нашли широкое применение в качестве конструкционных материалов, в том числе в авиастроении, атомной и космической технике. В последнее время кроме высоких требований к статической прочности, коррозионной стойкости, трещиностойкости, высокой стабильности свойств алюминиевых сплавов, жесткие требования предъявляются к стоимости полуфабрикатов, а также к уровню производственных затрат и экологической чистоте производства. Это стимулирует разработку принципиально новых технологий обработки алюминиевых сплавов, в том числе с применением пучков заряженных частиц.
Число исследований, посвященных влиянию ионною облучения на сгруктурно-фазовос состояние сплавов на основе алюминия, весьма ограничено. Авторы большинства работ по воздействию пучков ускоренных ионов на алюминиевые сплавы исследовали структурные изменения в зоне пробега ионов. Попытки увеличения модифицированного слоя с применением ионов высоких энергий (> 10 МэВ), а также мощных ионных пучков при повышенных температурах не привели к увеличению глубины проникновения ионов в вещество свыше нескольких десятков (в отдельных случаях 100 - 150) микрометров. Однако, этого явно недостаточно для многих технических применений.
В связи с этим представляется актуальным исследовать возможности воздействия пучков ускоренных ионов на структуру и свойства гораздо более протяженных по глубине приповерхностных слоев алюминиевых сплавов, как в фундаментальном, так и в прикладном аспекте, с учетом особой роли радиационно-динамических эффектов при воздействии на метастабильные среды.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории пучковых воздействий Института электрофизики УрО РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ лаборатории 2002 - 2008 г., а также календарными планами проектов РФФИ: № 01-02-96428-урал (2001 - 2003) «Физические основы создания перспективных технологий и новых материалов на основе инициирования радиационно-динамических фазовых превращений в метастабильных средах мощными пучками ускоренных ионов»,
6
№ 04-02- 17602-a (2004 - 2006) «Использование острофокусированных ионных пучков и комбинированного электромагнитного и ионного облучения для инициирования и исследования радиационно-динамических процессов в металлических сплавах», № 08-02-12126-офи (2008 - 2009) «Разработка физических основ быстрого радиационного отжига алюминиевых сплавов пучками ускоренных ионов взамен промежуточного печного отжига»; календарным планом договора с Институтом физики ионных пучков Исследовательского Центра Росссндорф (Германия) в рамках международного соглашения (Гос. контракт с Министерством науки и технологии РФ № 40.700.12.0027 RUS 231/01) «Радиационно-динамические эффекты в метастабильных сплавах при ионном облучении» и, кроме того, в рамках договора с Камснск-Уральским металлургическим заводом № 3/05 «Использование переменных режимов ионно-лучевой модификации алюминиевых сплавов в технологических процессах» (2005 - 2008).
Целыо настоящей работы явилось изучение закономерностей инициируемых облучением ускоренными ионами Аг+ и АГ с энергией 20-40 кэБ сгруктурных и фазовых превращений в мстастабильных средах:
— пересыщенном твердом растворе модельного дисперсионно-твердеющего сплава
А1 - 4 мае. % Си после закалки,
- промышленных алюминиевых сплавах АМгб системы Al-Mg и 1441 системы Al-Li-
Cu-Mg после холодной пластической деформации.
В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:
1. Установить закономерности влияния облучения нонами Аг' и А1+ на распад пересыщенного твердого раствора модельного диспсрсионно-твердсющего сплава А1 - 4 мае. % Си.
2. Детально изучить закономерности изменения структуры, фазового состава и механических свойств холоднодеформированных промышленных алюминиевых сплавов АМгб и 1441 под воздействием пучков ускоренных ионов АГ при вариации их энергии, плотности ионного тока и дозы облучения.
3. Сравнить характер влияния ионного облучения и обычного нагрева (полностью воспроизводящего изменения температуры мишеней в ходе облучения) на структуру подвергнутых холодной пластической деформации сплавов АМгб и 1441.
4. Разработать метод ионно-лучевой обработки листового проката из алюминиевых сплавов АМгб и 1441, обеспечивающий снятие иагартовки, взамен печного отжига при повышенных температурах.
7
Для решения поставленных задач были использованы методы металлографии,
просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерялась
микротвердость и проводились статические испытания на одноосное растяжение.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1. Проведено комплексное исследование влияния облучения ионами Аг’ и А1‘ на процессы распада пересыщенного твердого раствора модельного сплава А! - 4 мае. % Си.
2. Обнаружено ускорение распада ПересыIценного твердого раствора сплава А! - 4 мае. % Си под воздействием ионов Аг+ и АГ при низких температурах (< 60 °С), на глубине, более чем па два порядка величины превышающей проективные пробеги ионов Аг+ и А1+ в этом сплаве.
3. Установлены закономерности изменения микротвердости, периода кристаллической решетки твердого раствора и фазового состава сплава А1 - 4 мае. % Си в зависимости от дозы облучения.
4. Выполнено исследование воздействия пучков ускоренных ионов Лг' на структурно-фазовое состояние и механические свойства холоднодеформи-рованных промышленных алюминиевых сплавов АМгб (А1-Мц) и 1441 (А!-1л-Си-1У^) при вариации энергии ионов (20 - 40 кэВ), плотности ионного тока (100 - 400 мкА/см2) и дозы облучения (МО15 - 2,7-1017 см'2).
5. Установлено, чго кратковременное (1-160 с) облучение ионами Аг+ с энергией 20-40 кэВ вызывает в холоднодеформированных сплавах АМгб и 1441 перестройку исходной дислокационной структуры, протекание процессов полигонизации и рекристаллизации, измельчение и растворение интермсталлидов кристаллизационного происхождения на глубине не менее ~ 150 мкм от облученной поверхности при низких дозах облучения 10!5 - 10'6 см'2, и по всей толщине листа (1-3 мм) при повышенных дозах облучения 5-1016 см*2 - 2-1017 см’2. В дисиерсионно-твердсющем сплаве 1441 такое облучение инициирует распад твердого раствора с образованием дисперсных частиц упрочняющих фаз.
6. Показано, что наблюдаемые структурно-фазовые превращения в метастабильных алюминиевых сплавах при облучении ионами Аг+ и АГ имеют нетепловой характер и обусловлены радиационно-динамическим воздействием.
7. Предложен способ ионно-лучевой обработки промышленных алюминиевых сплавов систем А1-Мд, Al-Li-Cu-Mg пучками ускоренных ионов Аг* с энергией 20 - 40 кэВ с
целью снятия нагартовки взамен длительного промежуточного печного отжига при повышенных температурах (320 - 400 °С).
Практическая значимость. В результате проведенных фундаментальных исследований закономерностей воздействия пучков ускоренных ионов на структуру и механические свойства закаленных и холоднодеформированных алюминиевых сплавов получена принципиально новая информация, позволяющая прогнозировать изменение свойств алюминиевых сплавов в условиях ионного облучения. Это имеет важное практическое значение, поскольку знание этих закономерностей является основой для создания новых уникальных технологий обработки материалов пучками ионов.
Установлен факт повышения пластичности холоднодеформированных алюминиевых сплавов АМгб и 1441 в результате протекания ускоренных (по сравнению с обычным отжигом) процессов полигонизации и рекристаллизации под воздействием ионов Аг" и установлены закономерности протекания наблюдаемых процессов в зависимости от параметров облучения. Это позволило предложить способ кратковременной (5 - 160 с) обработки промышленных алюминиевых сплавов систем А1-М§ и А1-Ы-Си-1^ пучками ускоренных ионов Аг+ с энергией 20 - 40 кэВ взамен длительного (в течение 2 ч) промежуточного печного отжига при повышенных температурах (320 - 400 °С).
По сравнению с традиционным отжигом предложенный способ обладает существенной новизной и имеет следующие преимущества:
- он позволяет улучшить структуру листового проката за счет растворения грубых ннтерметаллидов кристаллизационного происхождения;
- из технологии исключаются операции транспортировки рулонов (пакетов) листового проката в термические печи для промежуточных отжигов (и обратно) между операциями прокатки и длительной выдержки в печах;
- длительность отжига снижается на 1-2 порядка, энергоемкость процесса - в 2-3 раза.
Совместно с Каменск-Уральским металлургическим заводом (ОАО «КУМЗ») поданы российская и международная заявки на использование ионно-лучевой обработки с целью снятия нагартовки листового проката из алюминиевых сплавов. Получено решение о выдаче патента РФ на изобретение от 17.07.2008 г.
Установлено также, что ионно-лучевая обработка, в отличие от промежуточного печного отжига, позволяет влиять на интермсталлидный состав алюминиевых сплавов и
9
управлять этим составом. Это может быть использовано для улучшения механических и ресурсных характеристик алюминиевого проката на завершающих стадиях обработки.
Решением выездной сессии Научного совета РАН «Радиационная физика твердого тела» (г. Дубна, ноябрь 2007 г.) работа «Модификация структуры прокатки ионным облучением без печного отжига», в которой автор принимал непосредственное участие, признана важнейшим достижением в области физики твердого т ела за 2007 г.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Облучение ускоренными ионами Лг+ и ЛГ (Е = 20 и 30 кэВ) инициирует распад пересыщенного твердого раствора сплава А1 - 4 мае. % Си с образованием метастабильных и стабильных фаз при низких температурах (< 60 °С), при которых в ходе нагрева протекает лишь зонная стадия старения. Выделение частиц наблюдается на глубине ~ 10 мкм, что более чем на два порядка величины превышает проективные пробеги ионов Аг' и АГ в исследуемом сплаве.
2. Под воздействием пучков ускоренных ионов Аг^ с энергией 20 - 40 кэВ в холоднодеформированных алюминиевых сплавах АМгб (А1-К^) и 1441 (А1-1л-СиЛ^) во всем объеме образцов толщиной 1 - 3 мм ири температурах ниже температуры отжига, применяемого в технологии холодной прокатки (320 - 400 °С), протекают в течение короткого времени (1-160 с) следующие процессы:
- трансформация исходпой дислокационной структуры и полигонизация с образованием субзсрен (при дозах 1015 - 1016 см'2, соответствующее время облучения 1-10с);
- рекристаллизация и рост зерна (5-1016 - 2-1017 см'2);
- измельчение и растворение интерметаллидов кристаллизационного происхождения (10,5-10,7см'2);
- образование частиц упрочняющих фаз в дисперсионно-твердеющем сплаве 1441 (1016- 10,7см'2).
3. Наблюдаемые процессы имеют нстепловую природу и являются результатом радиационно-динамического воздействия пучков ускоренных ионов на структуру сплавов.
4. Способ ионно-лучевой обработки листов из алюминиевых сплавов в ходе холодной прокатки, предназначенный для устранения нагартовки и улучшения структуры листового проката взамен длительного (в течение 2 ч) промежуточного печного отжига при повышенных температурах (320 - 400 °С).
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных (дополняющих друг друга) физических методов исследования, а также многократным воспроизведением результатов, касающихся изменений структуры и свойств исследованных сплавов в результате их облучения пучками ускоренных ионов.
Личный вклад соискатели. Автором выполнен детальный анализ литературных данных, относящихся к традиционным методам обработки алюминиевых сплавов, а также к вопросам, связанным с разработкой новых технологий изменения их свойств, в частности, попыткам использования пучков ускоренных ионов для воздействия на свойства и структурно-фазовое состояние алюминия и его сплавов. Автор лично осуществлял планирование эксперимента, включая выбор методов испытаний свойств, структурных исследований и режимов облучения сплавов, самостоятельно проводил измерения микротвердости и рентгеноструктурный анализ, принимал непосредственное участие в металлографических и электронно-микроскопических исследованиях (включая получение и анализ изображений, а также расчет электронограмм). Автор внес существенный вклад (в ряде случаев основной) в анализ и интерпретацию полученных результатов, а также в написание научных статей и тезисов докладов.
Ряд исследований проведем совместно с ИФМ УрО РАН, ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» и Институтом физики ионных пучков и исследования материалов Исследовательского Центра Россендорф (Германия). Участие соавторов работы отражено в публикациях.
Апробации работы. Все основные результаты, приведенные в диссертационной работе, подробно доложены и обсуждены на следующих Международных и Российских конференциях и семинарах: XIII, XVI, XVII, XVIII Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2003, 2006, 2007, 2008); 31th Conférence of the DGE, Deutsche Gesellschaft fur Elektronenmikroskopie (Drcsden, 2003); XII Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ-12 (Томск, 2003); 7,h, 9lh International Conférence on Modification of Materials vvith Particle Beams and Plasma FIows (Томск, 2004, 2008); III, IV Российских научно-технических конференциях «Физические свойства металлов и сплавов», (Екатеринбург, 2005, 2007); II Международной школе «Физическое материаловедение», (Тольятти, 2006); V и VII Международных Уральских семинарах «Радиационная физика металлов и сплавов» (Снсжинск, 2003, 2007); V и VI Международных научных конференциях “Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах” (Томск, 2006, 2008); XIX Уральской школе металловедов-термистов
11
«Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Екатеринбург, 2008).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 31 научной работе, среди которых: 1 заявка на изобретение, 8 статей в рекомендуемых ВАК РФ рецензируемых журналах, 10 статей в сборниках трудов и материалах конференций и 12 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав основного текста, заключения, списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 200 страниц, включает 63 рисунка, 19 таблиц и список цитируемой литературы из 184 наименований.
12
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Имплантация ускоренных ионов в вещество
Традиционные методы поверхностной обработки конструкционных материалов с целью улучшения их физических, химических, механических и других свойств продолжают интенсивно развиваться. Быстрое развитие техники предъявляет все возрастающие требования к уровню свойств конструкционных материалов. Принципиально новые перспективы открывает использование концентрированных потоков энергии, включая потоки плазмы, СВЧ-излучсния, заряженных частиц, в частности, ионных пучков.
Процесс воздействия на вещество пучков ускоренных ионов и существующие технологии ионно-лучевой обработки твердых тел называют ионной имплантацией, поскольку ускоренные ионы внедряются (или имплантируются) в твердое тело. Используются также термины ионное легирование, ионное внедрение, ионно-лучевая модификация свойств твердых тел.
Наибольшее применение для этой цели получили ионные пучки с энергией ионов в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен килоэлектронвольт (кэ!3). Для этого диапазона энергий разработана достаточно компактная ускорительная техника, в том числе технологические источники ионов с большим (100 см^ и более) сечением пучка.
Обычно энергия ускоренных ионов, используемых для обработки поверхности материалов, на несколько порядков величины превышает характерные значения энергии межатомных взаимодействий в твердых телах. Поэтому процессы перестройки структуры и изменения структурно-фазового состояния поверхностных слоев обрабатываемой мишени происходят в условиях, далеких от термодинамического равновесия, и это позволяет обеспечить во многих случаях получение поверхностных слоев, а тем самым и материалов с уникальными свойствами [1-8].
Ионная имплантация имеет ряд преимуществ но сравнению с другими способами обработки поверхности (например, нанесением покрытий). К таким преимуществам можно отнести следующие [7]: 1) возможность изменять поверхностные свойства материалов независимо от состояния объема; 2) отсутствие термодинамических ограничений рамками равновесных фазовых диаграмм (имеется возможность создания твердых растворов с содержанием легирующих элементов, значительно превышающих пределы растворимости); 3) первоначальные размеры изделия не изменяются в процессе ионно-лучевой обработки (поэтому ее зачастую используют в качестве сунерфинишной;
13
4) низкие температуры процесса ионной имплантации позволяют избежать деградации поверхности и объемных свойств материалов, связанной с повышением температуры;
5) параметры процесса ионной имплантации хорошо контролируются и могут быть воспроизведены с высокой точностью.
Необходимо отметить, что финансовые и энергетические затраты на проведение ионно-лучевой обработки не превышают соответствующие затраты на осуществление операции традиционной обработки материалов, а в ряде случаев оказываются и значительно меньшими.
Основное ограничение для обычных методов ионно-лучевой обработки однонаправленными пучками ионов связано с тем, что ускоренные ионы движутся по прямолинейным траекториям (при этом некоторые поверхности изделий могут оказаться в области геометрической тени1). Кроме того, для энергий, обычно используемых при ионной имплантации (20 - 200 кэВ), проективный пробег ионов в твердых телах не превышает десятых долей микрометра, так что речь может идти лишь о модификации тонкого поверхностного слоя мишени.
Важность и, одновременно, сложность осуществления некоторых технических приложений ионной имплантации инициировали работы, посвященные детальному изучению ее фундаментальных основ. Это касается широкого спектра взаимосвязанных физических процессов, протекающих в конденсированных средах в ходе ионной имплантации.
Основное внимание первоначально было сосредоточено на изучении тонкого поверхностного слоя толщиной сопоставимой с величиной пробега имплантируемых ионов в твердом теле, не превышающей для ионов средних энергий (10 - 100 кэВ) десятых долей микрона. В ходе ионной имплантации происходит изменение химического состава (легирование) и структуры (образование радиационных дефектов и их комплексов, радиационно-индуцированных сегрегаций, выделение стабильных и метастабильных фаз, формирование дислокационной структуры высокой плотности, перестройка кристаллической решетки, аморфизация и т.д.) Результаты экспериментального и теоретического исследования процессов, имеющих место в поверхностном ионно-легирусмом слое, представлены в многочисленных статьях, десятках монографий и обзоров [5. 7-17]. В целом, можно считать, что природа процессов, происходящих в зоне внедрения ионов и ее ближайшей окрестности, достаточно хорошо изучена. Имеющиеся теоретические модели и экспериментальные данные позволяют прогнозировать многие
1 Для преодоления этого ограничения используют платмо-погруженную ионную имплантацию.
14
особенности тех изменений, которые происходят в тонком поверхностном слое мишени в ходе ионной имплантации.
Между тем, большое число экспериментальных фактов, полученных в ходе исследования свойств и микроструктуры ионно-имплантированных материалов, свидетельствует о том, что воздействие пучков ускоренных ионов на вещество НС ограничивается тонким поверхностным слоем, в котором происходит торможение внедряемых ионов, а распространяется на существенно большие расстояния [4-7, 17-39]. Указанные факты касаются, прежде всего, для таких свойств, как микротвердость, износостойкость и коэффициент трения. Явление изменения структуры и свойств материалов на расстояниях, значительно превышающих толщину легируемого при ионной имплантации поверхностного слоя, получило название «эффекта дальнодействия».
Имеется большое количество экспериментальных данных, свидетельствующих о самых различных проявлениях этого эффекта, по поводу которых разные авторы высказывают различные мнения. Общепринятая теория указанных явлений в настоящее время отсутствует. Рассмотрим различные физические аспекты взаимодействия ускоренных ионов с веществом, а также различные гипотезы и попытки теоретического объяснения эффекта дальнодействия.
1.2. Представление о механизме ионной имплантации. Физические процессы в зоне пробега ионов и ее окрестности
Как уже было отмечено выше, процессы, имеющие место в зоне непосредственного проникновения ионов при ионной бомбардировке изучены достаточно полно как экспериментально, так и теоретически. Основную информацию можно найти в работах [1-3,8-16].
На рис. 1.1 - 1.2 приведены схемы, иллюстрирующие предложенные варианты систематизации основных процессов, происходящих в поверхностном слое мишени при ионной имплантации.
Торможение ионов с энергией ог нескольких десятков до нескольких сотен килоэлектронвольт (кэВ) в твердых телах обусловлено двумя основными процессами 17-
9]: упругими столкновениями с атомами (ядрами) мишени с образованием каскадов выбитых из своих устойчивых положений атомов; неупругими взаимодействиями со связанными электронами (эффекты возбуждения и ионизации). Вклад остальных известных процессов пренебрежимо мал. Передаваемая при этом энергия исходно локализуется вблизи зраскторий отдельных ионов (время существования каскада
15
составляет порядка 10'14 - 10'12 с). Средний проективный пробег Яр ионов вышеуказанных
энергий, составляет значения от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Плотность энерговыделения в области плотных каскадов атомных смещений может достигать 1013 - 10й Вт/см3.
Среди физических процессов, имеющих место при ионной имплантации, можно выделить следующие [5, 7, 8. 16, 22, 26. 31, 39-43]: 1) прямое распыление (выбивание) атомов поверхностного слоя; 2) образование первичных дефектов в столкновительных процессах; 3) возникновение, по мере эволюции каскадов атомных столкновений, ионизационных пиков, пиков атомных смещений, а также сильно разогретых областей (или термических пиков), с последующей их закалкой со скоростью Ю10 - 1015 К/с и, в некоторых случаях, дополнительным термическим распылением поверхности; 4) легирование поверхностного слоя (с переходом внедряемых и матричных атомов как в позиции замещения, так и в позиции внедрения), в том числе, до концентраций, существенно превышающих раиновесныс; 5) образование различных комплексов из примесных и матричных атомов и дефектов; 6) вакансионное распухание и образование пор (блистеринг); 7) протекание радиационно-стимулированной диффузии, изменение состава поверхностного слоя мишени, образование скоплений, предвыделений, фаз;
Основные процессы взаимодействия ускоренного иона с поверхностью твердого тела [14]
Рэсссышыс Отраженные Чапины частицы
Эяекгроннис
возбуждения
Рис. 1.1.
16
8) растворение фаз; 9) формирование обусловленных внедрением примесей высоких поверхностных статических напряжений, способных вызывать фазовые превращения;
10) общий нагрев поверхностных слоев материалов (термические фазовые и внутрнфазовые процессы в твердом состоянии, плавление и испарение поверхностного слоя, отсутствие эффекта легирования при] > 200 А/см2 [8]); 11) термоупругие волны при мощных импульсных воздействиях; 12) образование послекаскадных решеточных ударных волн от отдельных атомных каскадов на завершающей стадии их развития [40-42]; 13) возбуждение электронной подсистемы металлов [43] (особенно существенно при высокоэнергетической имплантации). Этот перечень, очевидно, не исчерпывает всех физических процессов, связанных с ионной бомбардировкой. Их классификация является исключительно сложной задачей, тем более, если учесть наложение и взаимное влияние различных процессов [5].
Схема баллистических процессов, имеющих место при внедрении ускоренного иона в мишень [ 161
Распыление
Ускоренный
ион
Рис. 1.2.
1.3. Экспериментальные данные и теоретические представления о природе и механизмах эффекта дальнодействия
В предыдущем разделе отмечены физические процессы, имеющие место при ионной бомбардировке, относящиеся к зоне пробега ионов и ее ближайшей окрестности (кроме П. 11 И 12), Т.е. зоне шириной ДО - 10 Яр> где Лр - средний проективный пробег ионов. В то же время имеются многочисленные экспериментальные данные об изменении
17
сгруктуры и свойств материалов на глубине, в тысячи и даже десятки тысяч раз превышающей проективные пробеги ионов [1-7].
В настоящем разделе анализируются литературные данные, подтверждающие наличие эффекта дальнодействия при воздействии ускоренными ионами на различные материалы. Рассмотрены физические модели, предложенные для описания этих данных.
Накопленный материал [4, 7. 17-39] свидетельствует о большом многообразии проявлений этого эффекта. Одни источники [36-38, 44-57] свидетельствуют о фактах существенного повышения физико-механических характеристик (микротвердость, износостойкость) поверхностных слоев материалов толщиной от нескольких единиц до нескольких десятков (и даже сотен) микрон. В других работах приводятся данные об изменении структуры, элементного и фазового состава аномально глубоких приповерхностных слоев материалов, полученные с применением таких методов, как метод каналирования а-частиц, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), рснтгсноструктурный анализ, полевая ионная микроскопия (Г1ИМ), ядерный гамма-резонанс и др., свидетельствующие о следующих фактах: а) сверхглубоком
проникновении имплантированной примеси в различные материалы (как правило, это касается примесей малою радиуса при высоких плотностях ионного тока и повышенных температурах имплантации [12, 19. 58-60], б) образование на аномально большой глубине точечных дефектов и их кластеров, пор, дислокационных петель, и специфических дислокационных структур [61-87]; в) изменение структурно-фазового состояния приповерхностных слоев материалов, толщина которых много больше толщины легируемого при имплантации поверхностного слоя [4-6. 20-311. Эти результаты являются прямым доказательством проявления эффекта дальнодействия.
Выдвинуто несколько качественных моделей с целью объяснения эффекта дальнодействия в различных его проявлениях. Достоинства и недостатки этих моделей, рассмотрены различными авторами в обзорах [5. 7,17-19. 31, 37].
Рассмотрим кратко имеющиеся экспериментальные, а также некоторые гипотезы и теоретические модели.
Повышение мнкротвердости и улучшение трнбологнческих свойств материалов. Увеличение микротвердости на глубине, превышающей проективные пробеги ионов, наблюдали авторы целого ряда работ [36-38. 44-54]. Например, в [44] показано, что при имплантации ионов В1 (Б = 40 кэВ, j ~ 140 мкА/см2, D ~ 1018 см*2) в нержавеющую сталь наблюдается увеличение микротвердости поверхностного слоя толщиной - 200 мкм.
18
Представляет интерес цикл работ [36-38. 48-54), в которых при облучении ионами Агт с энергиями от 1 до 40 кэВ малыми дозами 1014 - 1015 см'2 полупроводниковых кристаллов кремния и металлических фольг толщиной 200 - 400 мкм обнаружено увеличение микротвердости на 10-20 % на стороне, противоположной облучаемой. Положительный прирост микротвердости на стороне, противоположной облучаемой, имеет место и при экранировании ионно-имплантируемой фольги другой металлической фольгой (толщиной не более 18 мкм) в ходе ионной обработки 152, 531. Установлено |54], что для всех исследованных металлических материалов существует пороговая энергия, Е„0р = 30 кэВ, при которой микротвердость резко возрастает, величина пороговой энергии не зависит от дозы, сорта имплантируемых ионов и толщины фольги.
Трибологические свойства металлов также, как и полупроводникового кремния, удается модифицировать на глубине, значительно превышающей глубину проникновения ионов [55, 56]. Согласно [55] в результате облучения подвергнутых прокатке фольг пермаллоя (Резо^о) толщиной 20 - 25 мкм ионами Аг1 с энергией 40 кэВ имело место изменение коэффициента фения примерно в 1,5 раза, как с облученной, так и с обратной стороны.
С целыо объяснения повышенной стойкости имплантированных материалов по отношению к износу, даже после того как имплантированный слой полностью сносился, высказывалась гипотеза о существовании трибодиффузии. Механизм трибодиффузии заключается в том, что в процессе износа имеет место разогрев поверхностных слоев материалов и диффузия внедренных примесей из зоны пробега ионов вглубь материала Однако в работе [57] показано, что глубина проникновения примесей в результате действия этого механизма может достигать лишь нескольких проективных пробегов ионов.
Сверхглубокое проникновение имплантированной примеси и радиационных дефектов. Наиболее простым проявлением эффекта дальнодействия является сверхглубокое проникновение примеси. О распространении, как самих имплантируемых ионов, так и радиационных дефектов на глубину, значительно превосходящую проективные пробеги ионов, свидетельствует большое число работ [1, 2. 19. 58-60]. Это явление было обнаружено прямыми и косвенными методами исследования для достаточно большого круга материалов после облучения ионами различного сорта с энергией 0,5 -100 кэВ, в широком диапазоне доз и протяженном температурном интервале. Так в работах [1.2] приводятся данные о присутствии Т1, Ей, Эу, вс!, 8т на глубине 100 мкм в образцах нержавеющей стали, облученной ионами этих элементов с энергией 30 кэВ при Т = 600 °С до дозы 2-1018 см’2.
- Київ+380960830922