Модифицирование поверхности стали низкоэнергетическим ионным облучением перед нанесением углеродного покрытия

Содержание
Введение
Глава 1. Физические процессы модифицирования поверхности низкоэнергетическим ионным облучением перед нанесением тонких пленок. Основные теории и модели
1.1. Процессы модифицирования поверхности ионной бомбардировкой и нанесением покрытий. Методы повышения адгезии тонких пленок к подложкам
1.2. Основные физические процессы, происходящие при ионной бомбардировке
1.3. Основные физические модели процессов ионного распыления и имплантации. Методы компьютерного моделирования взаимодействия ион - твердое тело
Выводы к главе 1
Глава 2. Моделирование и экспериментальное исследование зависимостей коэффициента распыления поверхности стали ионами аргона, азота, воздуха, титана и алюминия от энергии ионов
2.1. Образование переходного слоя на границе покрытие - подложка
2.2. Оценочные расчеты коэффициентов распыления в зависимости от энергии ионов, основанные на основных положениях теории распыления Зигмунда
2.3. Компьютерное моделирование процессов распыления и образования радиационных дефектов в результате ионной бомбардировки
2.4. Зависимость коэффициента распыления поверхности стали 12Х18Н10Т ионами титана, алюминия, аргона и азота от энергии ионов и дозы ионного облучения, полученная экспериментальным путем
4
9
9
34
45
73
75
75
78
86
90
94
95
102
104
111
112
112
118
122
123
125
139
143
151
Выводы к главе 2
Глава 3. Экспериментальное исследование состава дефектного слоя на поверхности стальной подложки и глубины внедрения ионов титана и алюминия при ионном облучении с помощью Оже-спектроскопии
Выводы к главе 3
Глава 4. Моделирование радиационно-стимулированной диффузии, учитывающей влияние колебательных возбуждений атомов, вызванных ионным облучением, на коэффициенты диффузии
Выводы к главе 4
Глава 5. Экспериментальное исследование износостойкости углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения
5.1. Результаты экспериментальных исследований износостойкости углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения
5.2. Кинетическая модель изнашивания, учитывающая микромеханику разрушения материалов, термоактивируемые кинетические процессы и процессы образования радиационных дефектов при ионном облучении
Выводы к главе 5 Заключение
Использованная литература Приложение 1 Приложение 2
Приложение 3
Введение
Актуальность темы. Технология нанесения тонких пленок в вакууме используется в электронике, в точном машиностроении для повышения срока службы деталей путем модифицирования поверхности, в медицине для повышения биологической совместимости имплантатов, а также в нанотехнологии. Углеродные покрытия, получаемые импульсным вакуумно-дуговым методом наиболее перспективны для применения в этих областях, так как обладают наибольшей твердостью, низким коэффициентом трения и химической инертностью. Однако эффективность применения углеродных покрытий в качестве твердых защитных покрытий в первую очередь определяется адгезионной прочностью их связи с подложкой. Поэтому вопросам повышения прочности адгезионной связи углеродных покрытий с подложкой, на которую они наносятся, посвящено большое количество исследований.
верхности перед нанесением покрытия, повышение его адгезионной прочности и, следовательно, износостойкости.
Значительные успехи в понимании явлений, происходящих на поверхности материалов в условиях радиационного воздействия, связаны с теоретическими и экспериментальными исследованиями процессов ионной имплантации полупроводников. Разработаны математические модели и компьютерные программы, позволяющие моделировать процессы образования радиационных дефектов и определять профили залегания легирующего материала в подложке. Однако до сих пор не существует единой теории, объясняющей аномально высокие коэффициенты диффузии ионов при ионной бомбардировке, что требует большого объема экспериментальных исследований при выборе вида ионов, применяемых при облучении, и их энергетических характеристик.
Кроме того, необходимы дополнительные исследования, связанные с влиянием ионного облучения на свойства поверхности (прочностные, трибологические, геометрические). Необходимо совершенствование и научное обоснование методов определения адгезионной прочности покрытий и их трибологических характеристик.
Исходя из вышесказанного, достижение цели поставленной в данном исследовании, возможно при решении ряда взаимосвязанных научных задач теоретического и экспериментального характера, что и определяет актуальность и научную ценность исследований в данном направлении.
Цель работы. Комплексное исследование и анализ физических процес-
поверхности. При распылении ионами металлов необходимо учитывать про-
4. Полученные в работе научные результаты использованы в патенте РФ
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях:
• Научно-практическая конференция материаловедческих обществ России по проблеме “Создание хматериалов с заданными свойствами: методология и моделирование”. - М.: МИФИ, 22 - 26 ноября, 2004.
• Международная молодежная научная конференция “XXXI Гагаринские чтения”. -М.: МАТИ, 5-10 апреля, 2005.
• XV Петербургские чтения по проблемам прочности. - СПб., 12-14 апреля, 2005.
• VI Международная научно-практическая конференция “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении”. -Харьков: ННЦХФТИ, 16-20 мая, 2005.
• ХЫУ Международная конференция “Актуальные проблемы прочности”. -Вологда: ВоГТУ, 3-7 октября, 2005.
• Международная школа-конференция молодых ученых “Физика и химия наноматериалов”. - Томск: Томский государственный университет, 13-16 декабря, 2005.
• Международная молодежная научная конференция “XXXII Гагаринские чтения”. - М.: МАТИ, 4-8 апреля, 2006.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в четырех статьях, одном патенте на изобретение и восьми тезисах докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Полный объем работы составляет 153 страницы машинописного текста.
Глава 1. Физические процессы модифицирования поверхности низкоэнергетическим ионным облучением перед нанесением тонких пленок. Основные теории и модели
Проанализированы основные работы, связанные с исследованием процессов модифицирования поверхности ионной бомбардировкой и нанесением покрытий. Приведены результаты анализа основных физических процессов, происходящих при ионной бомбардировке поверхности ионами низких энергий. Рассмотрены основные физические модели процессов ионного травления, имплантации и методы компьютерного моделирования этих процессов.
1.1. Процессы модифицирования поверхности ионной бомбардировкой и нанесением покрытий. Методы повышения адгезии тонких пленок к подложкам
Алмазоподобные углеродные покрытия (АПП), получаемые импульсным вакуумно-дуговым методом наиболее перспективны для применения во многих областях, так как обладают наибольшей твердостью, низким коэффициентом трения, а также соответствуют основным технологическим требованиям, относящимся к тонким защитным покрытиям. Однако на пути разработки технологии их нанесения неизбежно приходится преодолевать значительные трудности, связанные, в частности, с обеспечением их прочного сцепления с изделием [1].
Понимание процессов, приводящих к повышению адгезионной прочности углеродных покрытий, невозможно без рассмотрения вопросов, связанных с причинами потери адгезионной связи на границе раздела “тонкая пленка - подложка”.
Причинами могут быть:
1. Наличие неровностей и шероховатостей на поверхности подложки [2,3].
2. Наличие загрязнений органического и неорганического типа на поверхности подложки [4-8].
3. Несоответствие физико-химических свойств пленки и подложки (коэффициента термического расширения, модуля упругости, химического состава и т.д.) [9,6,10-13].
4. Условия формирования пленки (например, в случае углеродных покрытий -высокие внутренние напряжения) [5,6,14-18].
Таким образом, выбор метода повышения адгезионной прочности тонкой пленки к подложке должен быть основан на анализе свойств пленки и причине потери адгезионной связи на границе раздела пленка-подложка, а также выборе метода ее устранения.
В работах [2,3] описано влияние шероховатости поверхности подложки на адгезионную прочность углеродных покрытий (АПП). Исходная шероховатость подложки Яа создает эффективную (в пределах Яа) зону релаксация напряжений и одновременно препятствует распространению в плоскости АПП -подложка уже образовавшихся трещин. В статье [2] показано, что для микро-метровых АПП наилучший результат достигается при Яа » 0,2...0,3 от толщины покрытия. При больших Яа, по мнению авторов, начинает превалировать эффект чисто геометрического ухудшения условий осаждения (затенение, конденсация ионов углерода, отраженных от почти вертикальных элементов структуры и потому энергетически ослабленных).
Химическая инертность АПП препятствует прочному химическому взаимодействию его с подложкой, уменьшая возможности обеспечения прочной адгезии.
С ростом «алмазоподобности» (доли фазы с ер3 связями) растет твердость АПП. Одновременно растут и внутренние напряжения для наиболее твердых АПП. Это также способствует отрыву упрочняющего покрытия от изделия по плоскости АПП - подложка [1].
Коэффициент термического расширения для алмаза град ,
для металлов в 5-10 раз больше. Поэтому охлаждение деталей до комнатной температуры после напыления создает дополнительные напряжения на границе покрытие - подложка. Из-за этого часто приходится наблюдать самопроизвольное отслоение АПП непосредственно после охлаждения напыленной детали. Даже если отслоения не наблюдаются, то возникшие при охлаждении напряжения неизбежно ослабляют адгезию АПП [19].
Физические и химические свойства покрытий в значительной степени зависят даже от незначительных загрязнений поверхности подложки. Поэтому чистота поверхности подложки является решающим фактором для выращивания и адгезии пленок. Хорошо очищенная подложка является необходимым предварительным условием для получения пленок с воспроизводимыми свойствами [20]. Наличие загрязнений поверхности оказывает существенное влияние на экспериментальные результаты, получаемые при исследовании различных поверхностных явлений. Большую роль состояние поверхности играет и в технологических процессах. Как в научном, так и в прикладном аспекте важным является приготовление поверхностей подложки с заранее заданными свойствами [21]............ ч .......................
Процесс очистки подложки требует, чтобы были разорваны связи как между молекулами самой примеси, так и между молекулами этой примеси и подложки. Это может быть достигнуто как химическими средствами, например, очисткой в растворителе, так и приложением достаточной энергии для испарения примеси, например, нагревом или ионной бомбардировкой. Как правило, лучше ограничить процесс очистки удалением только слоя зафязнения, однако часто оказывается приемлемым также и слабое подтравливание материала самой подложки, что обеспечивает лучшее качество процесса очистки. Некоторые методы очистки требуют обработки подложки или использования растворителей и поэтому должны применяться вне вакуумной системы. Осуществление методов физической очистки обычно сопровождается установкой
оборудования для нагрева подложки или бомбардировкой ионами в напыли-тельной системе [20].
Все методы очистки можно разделить на две группы: методы предварительной очистки и методы вакуумной очистки (рис. 1.1.1). Выбор метода очистки зависит от природы подложки, типа загрязнений и степени требуемой чистоты обработки. В случае предварительной очистки удаляются наиболее грубые «макроскопические» загрязнения, т.е. неоднородности поверхности, обусловленные технологическими процессами изготовления образцов. При такой очистке всегда существует вероятность повторного загрязнения поверхности. Группа вакуумных методов рассматривается как основная для получения чистой поверхности. Эти методы реализуются в высоком вакууме (порядка 10~ Па). Вероятность повторного загрязнения поверхности в высоком вакууме существенно уменьшается [21].
Рис. 1.1.1. Методы очистки поверхности подложки