Особливості структурного стану та фізико-механічні властивості сплавів на основі Ti, Al та Ni після подвійної іонної імплантації - Автореферат

Такі матеріали можливо отримати методами модифікації поверхні шляхом іонної імплантації, яка інтенсивно застосовується в останній час. Серед матеріалів значний інтерес, завдяки своїм властивостям, набули титан та його сплави, які широко використовуються у різних галузях сучасного виробництва, що обумовлює необхідність дослідження титанових сплавів при послідовній імплантації іонів газів та металів. У звязку з цим дослідження структури, елементного складу, фазових та морфологічних змін, які відбуваються у приповерхневих шарах титанових сплавів марки ВТ-6, ВТ-22 і TINI після подвійної іонної імплантації, що спричиняє поліпшення їх фізико-механічних властивостей, є актуальною та важливою задачею фізики твердого тіла. Для реалізації даної мети у роботі розвязані такі задачі: - вивчено вплив подвійної іонної імплантації на зміни морфології поверхні, елементного та фазового складів у приповерхневих шарах сплаву TINI при імплантації N , N Ni , Mo W , а для титанових сплавів BT-6 і BT-22 при імплантації іонами Mo W , в залежності від фізичних параметрів імплантації (енергії, дози, потоку іонів); Обєкт досліджень - структурно-фазові перетворення та зміни фізико-механічних властивостей, що відбуваються в приповерхневих шарах титанових сплавах ВТ-6, ВТ-22 та TINI, після подвійної іонної імплантації.У першому розділі «Модифікація титанових сплавів за допомогою іонної імплантації (літературний огляд)» проаналізовані фізичні закономірності формування іонно-імплантованих шарів, висвітлений сучасний стан проблеми модифікації поверхні титану і титанових сплавів за допомогою потоків іонів (іонна імплантація) та досліджено зміни фізико-механічних властивостей, яких набувають матеріали у результаті застосування даної технології. Аналіз літературних даних свідчить, що модифікація титану і його сплавів шляхом іонної імплантації призводить до структурно-фазових перетворень у приповерхневих шарах, утворення нових хімічних сполук, твердих розчинів, вторинних фаз, аморфних структур, які поліпшують фізико-механічні властивості матеріалів та експлуатаційні характеристики виробів на їх основі. У другому розділі «Обладнання для іонної імплантації, матеріали й методи досліджень властивостей іонно-імплантованих систем» описані експериментальні методики, які застосовувалися для дослідження зразків з титану та його сплавів, умови підготовки зразків. Системи імплантованих елементів вибиралися виходячи з умов, що для сплавів ВТ-6, ВТ-22 іони Mo і W мають значну атомну масу у порівнянні з Ті, що дає можливість легко їх розпізнати при проведенні структурно-фазових досліджень, важливих для розширення фізичних уявлень про вплив іонної імплантації важкими елементами на формування приповерхневих шарів. Для сплаву TINI з властивістю памяті форми імплантація іонами N , N Ni дає можливість з атомами титану створювати хімічні сполуки, такі, наприклад, як нітрид титану з високими фізико-механічними властивостями та зі збереженням властивості памяті форми, що розширює їх можливості при застосуванні в медицині, космічній і авіаційній галузях.У результаті проведених досліджень виявлені закономірності зміни структурного стану, елементного складу фазових перетворень, що відбуваються в приповерхневих шарах сплавів титану ВТ-6, ВТ-22 та TINI після подвійної іонної імплантації, що призводять до зміни їх фізико-механічних властивостей. Проаналізовано вплив імплантації іонів металів Мо і W у титанові сплави на фазовий склад та дифузійну рухливість атомів у приповерхневих шарах. Показано, що послідовна подвійна імплантація іонів N і Ni в TINI призводить до утворення складного профілю іонів N . Виявлено кореляцію між елементним складом, мікроструктурою, ефектом памяті форми і механічними властивостями приповерхневого шару сплаву TINI, імплантованого іонами N , N Ni , Mo W . Імплантація іонів азоту призводить до зміни фазового складу та структури приповерхневого шару за рахунок формування нітриду титану, що викликає зміну механічних характеристик матеріалу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У результаті проведених досліджень виявлені закономірності зміни структурного стану, елементного складу фазових перетворень, що відбуваються в приповерхневих шарах сплавів титану ВТ-6, ВТ-22 та TINI після подвійної іонної імплантації, що призводять до зміни їх фізико-механічних властивостей.

Основні результати дисертаційної роботи сформульовані у вигляді загальних висновків: 1. Проаналізовано вплив імплантації іонів металів Мо і W у титанові сплави на фазовий склад та дифузійну рухливість атомів у приповерхневих шарах. Встановлено, що величина ефективного коефіцієнту дифузії Мо і W у титанових сплавах складає DMO @ 2,8?10-12 м2/с і DW @ 10-13 м2/с.

2. Показано, що послідовна подвійна імплантація іонів N і Ni в TINI призводить до утворення складного профілю іонів N . Профіль для азоту немонотонний, спостерігається два максимуми концентрації: один - поблизу поверхні (максимальна концентрація близько 36,0 ат. %), а інший пік розташований на глибині понад 100 нм, але з концентрацією 27,0 ат. %. У провалі, між двома максимумами профілю концентрації N спостерігається максимум концентрації іонів Ni , близько 20 ат.%.

3. Виявлено кореляцію між елементним складом, мікроструктурою, ефектом памяті форми і механічними властивостями приповерхневого шару сплаву TINI, імплантованого іонами N , N Ni , Mo W . Імплантація іонів азоту призводить до зміни фазового складу та структури приповерхневого шару за рахунок формування нітриду титану, що викликає зміну механічних характеристик матеріалу. Встановлено, що імплантація іонів N до дози 1018 см-2 підвищує твердість від 4,1 ГПА до 7,7 ГПА, а завдяки подальшій імплантації Ni до дози 5?1017см-2 до 8,4 ГПА.

4. Показано, що подвійна імплантація Mo і W у титанові сплави ВТ-6 і ВТ-22 викликає структурні зміни, що призводить до значного підвищення твердості приповерхневих шарів. Твердість сплаву ВТ-22 після подвійної імплантації іонами Mo і W до дози 5?1017см-2 збільшується від 5,8 до 10 ГПА, а для сплаву ВТ-6 після подвійної імплантації іонами Mo і W до дози 2?1017см-2 збільшується від 5,8 до 6,8 ГПА.

5. Виявлено, що в приповерхневій області TINI імплантованої іонами формується подвійний шар з різною мікроструктурою. До глибини порядку 80 нм від поверхні в зразках спостерігається аморфна структура, у якій формується два підшари - спочатку Ті та Ni і аморфноподібні структури, а потім збагачена нікелем мікрокристалічна структура. У другому підшарі, розташованому на глибині 80 ? 160 нм від опроміненої поверхні, виявлена область збагачена титаном. За цією областю перебуває структура вихідного TINI, із зернами, що мають помітно менші розміри.

6. У результаті імплантації азоту в титановий сплав TINI відбувається зміна температури фазових перетворень. Показано, що в серії структурних перетворень ?2 > R > ?19 початкова температура фазових перетворень для вихідного зразка TINI становила 324,6 К, а кінцева - 335,3 К, для імплантованого TINI відповідно Тпочат = 326,2 К та Ткінц = 338,6 К.

1. Азаренков Н.А. Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии: учебн. пособие / [Н.А. Азаренков, В.М. Береснев, А.Д. Погребняк, Л.В. Маликов, П.В. Турбин]. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009. 209 с. ISBN 978-966-623-592-6. Здобувачем підготовлено 6-й розділ, здійснено підбір та аналіз літературних джерел для всіх 9-ти розділів навчального посібника.

2. Погребняк А.Д. Влияние высокодозовой имплантации ионов металлов и газов на физико-механические свойства титановых сплавов / [А.Д. Погребняк, Н.К. Ердыбаева, Л.В. Маликов, С.Н. Братушка, Н. Левинтант] // ВАНТ: серия Вакуум, чистые металлы, сверхпроводники. 2008. № 1. С. 81-92. Здобувачем проведено дослідження морфології та елементного складу імплантованих титанових сплавів ВТ-6, ВТ-22.

3. Погребняк А.Д. Влияние высоких доз ионов N , N Ni , Mo W на физико-механические свойства TINI / [А.Д. Погребняк, С.Н. Братушка, Л.В. Маликов, Н. Левинтант, Н.К. Ердыбаева, С.В. Плотников, Б.П. Гриценко] // ЖТФ. 2009. Т. 79, № 5. С. 65-72. Здобувачем проведено дослідження морфології та елементного складу імплантованого титанового сплаву TINI.

4. Pogrebnjak A.D. Structure and properties of Ti alloys after double implantation / [A.D. Pogrebnjak, S.N. Bratushka, V.V. Uglov, V.S. Rusakov, V.M. Beresnev, V.M. Anischik, L.V. Malikov, N. Levintant, P. Zukovski] // Vacuum. 2009. Vol. 83, No. 6. Р. S241-S244. Здобувачем досліджено вплив температури відпалювання на розподіл імплантованих елементів у приповерхневому шарі титанового сплаву ВТ-6.

5. Погребняк А.Д. Элементный и фазовый состав титанового сплава ВТ-22, имплантированного ионами W и Mo / [А.Д. Погребняк, В.М. Береснев, С.Н. Братушка, Л.В. Маликов] // Вестник ХНУ имени В.Н. Каразина. Серия Ядра, частицы, поля. 2009. Вып. 859, 2(42). С. 77-82. Здобувачем проведено порівняння експериментальних даних з розрахунками розподілу імплантованих елементів за глибиною у приповерхневому шарі титанового сплаву ВТ-22.

6. Погребняк А.Д. Структурно-фазовые изменения в приповерхностных слоях титанового сплава TINI, после двойной ионной имплантации / [А.Д. Погребняк, В.М. Береснев, N. Levintant, Л.В. Маликов, С. Н. Братушка, Н. К. Ердыбаева] // ФИП. 2009. Т.7, № 3. С. 239-243. Здобувачем, за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії проведено дослідження розподілу елементів у приповерхневому шарі імплантованого іонами сплаву TINI.

7. Погребняк А.Д. Двойная ионная имплантация ионов газа и металлов TINI / [А.Д. Погребняк, А.П. Кобзев, Н. Левинтант, Н.К. Ердыбаева, С.Н. Братушка, Л.В. Маликов, Д.П. Кульментьева, Б.П. Гриценко] // Материалы 7-й Международной конференции [«Взаимодействие излучений с твердым телом»], (Минск, Беларусь, 26-28 сентября 2007 г.). С. 149-153. Здобувачем розраховані профілі розподілу азоту у титановому сплаві TINI після подвійної іонної імплантації.

8. Погребняк А.Д. Двойная имплантация ионов в TINI и ее влияние на физико-механические свойства. / [А.Д. Погребняк, С.Н. Братушка, Л.В. Маликов, Н. Левинтант, Н.К. Ердыбаева, Б.П. Гриценко] // Материалы XVIII Международной конференции [«Радиационная физика твердого тела»], (Севастополь, 7-12 июля 2008 г.). С. 288-289. Здобувачем досліджено влив подвійної іонної імплантації на память форми TINI.

9. Pogrebnjak A.D. Structure and Properties of Ti Alloys After Double Implantation / [A.D. Pogrebnjak, S.N. Bratuska, V.M. Beresnev, V.V. Uglov, V.S. Rusakov, V.M. Anischik, L.V. Malikov, N. Levintant] // Procidings of Eleventh International Conference on [“Plasma Surface Engineering” - PSE 2008], (Garmisch-Partenkirchen, Germany, September 15-19 2008). P. 445. Здобувачем досліджено влив подвійної іонної імплантації на температуру мартенситного перетворення у сплаві TINI.

10. Pogrebnjak A.D. Structures and Properties of Ti Alloys After Double Implantion / [A.D. Pogrebnjak, S.N. Bratushka, V.V. Uglov, V.S. Rusakov, V.M. Beresnev, V.M. Anishchik, L.V. Malikov, N. Levintant, B.P. Gritsenko] // Procidings of 9th International conference on [“Modification of materials with particle beams and plasma flows”], (Tomsk, Russia, 21-26 September 2008). P. 614-619. Здобувачем проведені вимірювання твердості приповерхневих шарів сплавів ВТ-6, ВТ-22 після подвійної іонної імплантації на наноінденторі.

11. Pogrebnjak A.D. Structures and properties of Ti alloys after double implantation / [A.D. Pogrebnjak, S.N. Bratushka, V.V. Uglov, V.S. Rusakov, V.M. Beresnev, V.M. Anishchik, L.V. Malikov, N. Levintant] // Procidings of 7th International conference [“Ion implantation and other applications of ions and electrons” ION-2008], (Poland, June 16-19 2008). P. 151. Здобувачем проведені вимірювання твердості приповерхневих шарів сплавів TINI після подвійної іонної імплантації на наноінденторі.

12. Погребняк А.Д. Элементный и фазовый состав ВТ-22, имплантированного ионами W и Мо / [А.Д. Погребняк, С.Н. Братушка, Н. Левинтант, Н.К. Ердыбаева, Л.В. Маликов] // Материалы 8-й Международной конференции [«Взаимодействие излучений с твердым телом»], (Минск, Беларусь, 23-25 сентября 2009 г.). С. 192-195. Здобувачем проведено дослідження елементного складу імплантованих іонами Мо і W титанового сплаву ВТ-22.