CC BY
226
УДК 620. 22
Б А. КАЛИЯ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАДИАЩИОНН0-ПУЧКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ .МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрены различные аспекты использования радиационно-пучковых технологий для получения и модифицирования материалов, включая общую технологическую схему и особенности ионной, плазменной и ионно-плазменной обработок, обработки материалов концентрированными потоками энергии (КПЭ). Проведен анализ механизмов модифицирования и процессов, протекающих в материалах в процессе модифицирования. Рассмотрены научные проблемы, которые необходимо решать при внедрении радиационной обработки в технологическую практику'.
Введение
Развитие современного общества зависит or трех взаимосвязанных основных факторов: экономики, энергоресурсов и экологии, определяющих развитие следующей важной триады: наука -технология - производство, т.е., по сути, наличие мобильной и высокоэффективной научно-технической базой, позволяющей разрабатывать и оперативно внедрять в производственный процесс новые ресурсосберегающие и экологически чистые технологии [1]. Что означает слово технология? Технология (techne - искусство + logos - учение) в историческом плане претерпела существенные понятийные изменения. В начальный период применения технологию рассматривали как совокупность методов и приемов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала (или полуфабриката), применяемых в процессе производства для получения готовой продукции. Позже как науку о способах воздействия на сырье, материалы, полуфабрикаты соответствующими орудиями производства, о способах воздействия на информацию различного назначения (компьютерные технологии). В современном универсальном представлении термин технология рассматривается, как совокупность научно-технических знаний, которые могут быть использованы при разработке, производстве или эксплуатации продукции, осуществленная на материальных носителях и существующая в интеллекте субъекта.
Каждая высокоразвитая страна на пороге XXI века разработала перечень критических технологий, т.е. технологий, определяющих национальные потребности общества в будущем и, фактически, определяющих направления инвестирования в стране. Критериями выбора критических технологий являются: национальные потребности и интересы (конкурентная способность предприятий, безопасность нации, энергетическая независимость, качество жизни и др.), значимость страны в мире, емкость и разнообразие рынка.
Определенный интерес представляет сравнение критических технологий России и США [1,2], перечень которых представлен в таблице 1. Как видно из данных таблицы приоритетное место в перечне занимают материалы. В США раздел материалов содержит такие направления, как синтез и производство материалов, материалы для электроники и фотоники, керамики, композиты, металлы и сплавы с особыми свойствами. В российском перечне несколько иные приоритеты: материалы для микро - и наноэлектроники, композиты, керамики и нанокерамики, металлы и сплавы с особыми свойствами, сверхтвердые материалы, биосовместимые материалы, катализаторы, мембраны, дизайн химических продуктов и материалов с заданными свойствами.
Материалы, как видно из данных табл.1, играют большую роль и в других направлениях перечня критических технологий, например, в энергетике, транспорте. Достойное внимание разработке новых материалов уделено и в российском перечне технологий двойного назначения. И это логично, так saie материалы определяют возможности реализации научно-технических идей.
Потребность в новых материалах обусловлена рядом факторов[ 1 ]:
• усложнением создаваемой техники, например, для эксплуатации при высоких температурах (стационарных и циклических), механических нагрузках (постоянных и переменных), в агрессивных средах (газах, жидкостях, жидких металлах), в различных физических полях (электрических, магнитных), при радиационном воздействии и др.;
• стремлением получить более высокие параметры и КПД техники;
• повышением надежности и безопасности техники;
• снижением материалоемкости изделий;
• улучшением дизайна и потребительских свойств продукции;
• расширением области применения техники и устройств.
Сравнение критических технологий
Таблица 1
США Россия
Материалы (Materials) Новые материалы и химические продукты
Обрабатывающая промышленность (Manufacturing) Производственные технологии
Информация и связь (Information and Communications) Информационные технологии и электроника
Биотехнология и жизнь (Biotechnology and Life Sciences) Технология живых систем
Аэронавтика и наземный транспорт (Aeronautics and Surface Transportation) Транспорт
Энергетика и окружающая Среда (Energy and Environment) Топливо и энергетика
Экология и рациональное природопользование
В последние годы важные достижения в области создания новых материалов, а точнее получения материалов с более высокими эксплуатационными свойствами, достигнуты в таких направлениях, как [1]:
• создание сверхнеравновесных структурно-фазовых состояний, например, путем сверхбыстрого охлаждения расплава или осаждения атомов из газовой фазы (аморфные и микрокристаллические материалы, ультрадисперсные среды);
• микроминиатюризация структурных элементов в функциональных и конструкционных материалах, создаваемая, например, методами нанотехнологии (нанокристаллы. кластерные композиции и др.) или радиационными технологиями, т.е. воздействием на материалы концентрированными потоками энергии (КПЭ), ионов и атомов (многослойные покрытия, пленочные композиты, направленное изменение микроструктуры).
Эти направления в материаловедении можно реализовать путем модернизации существующих и/или разработки новых технологий получения и обработки материалов. Рассмотрим основные пути создания или, как модно сейчас говорить, синтеза материалов.
Направления получения новых материалов
Существует, по меньшей мере, три технологические схемы получения новых материалов[1]. Как видно на рис.1, первая схема (левая) основана на классическом подходе, включающем плавление и затвердевание расплава с последующими (возможно многократными) термомеханическими обработками (МТМО) литого материала и, при необходимости, дополнительной финишной технологией модифицирования поверхностных слоев материала (изделия) путем химико-термической обработки (при традиционном подходе) или радиационным воздействием.
L
Добыча руды, обогащение
СИНТЕЗ МАТЕРИАЛОВ
I Плавление компонентов I I Смешение компонентов J Конструирование .материалов |
Затвердение
J [
Силовое воздействие
Многократная механотермическая обработка
О
Модифицирование (поверхности)
H '
Термическое воздействие
Ï 1 ... ...
Модифицирование (поверхности) 1
1
Наноструктуры
Композиты
Рис.1 Схема возможных путей создания нового материала
Вторая технологическая схема (в центре рисунка) основана на смешении веществ (порошков, нанокристаллов и др.) с последующим силовым и термическим воздействием для их комиактиро-вания и стабилизации структуры. В этом случае тоже часто применяют финишное модифицирование поверхностных слоев. Третья технологическая схема (правая) показывает примеры реализации принципа одновременного создания (конструирования) материала и изделия. Это можно осуществить путем по атомной сборки материала методами нанотехнологии, нанесения покрытий, включая многослойные, и при изготовлении композитов.
Как видно из рис. 1 технология получения материалов заканчивается модифицированием поверхностных слоев, т.е. изменением структурно-фазового состояния тонкого приповерхностного слоя без изменений в объеме. Рассмотрим далее основные проблемы и возможности модифицирования в результате воздействия на материалы и изделия радиационных и тепловых потоков с целью изменения структуры и состава или получения нового материала.
Модифицирование поверхности материалов.
Радианиоино-пучковые технологии.
В материаловедении, как междисциплинарной науке о взаимосвязи структурно-фазового состояния и свойств твердых тел, известно много различных технологий модифицирования материалов. В последние годы интенсивно разрабатываются радиационно-пучковые технологии (РПТ) как получения, так и модифицирования материалов [3-26]. Научной основой РПТ таились результаты исследования взаимодействия электронов, ионов, атомов и их кластеров, плазмы, лазерного и гамма-излучения с твердым телом. При увеличении количества энергии, переносимой частицами или излучением, характер их воздействия на поверхность твердого тела утрачивает чисто радиационный аспект и становится термическим. В этой связи мощные электронные и ионные пучки, лазерное излучение и потоки высокотемпературной плазмы можно рассматривать как концентрированные потоки энергии (КПЭ). Каждый из видов радиационного воздействия может быть использован и для модификации, и для получения новых метериалов. Рассмотрим некоторые примеры:
1. Ускоренные ионы (и атомы), в виде моноэнергетических или полиэнергетических пучков, являются рабочим телом ионно-пучковых и ионно-илазменных технологий [4,6,8,12,13,16,18]. Типичный ионный ускоритель (имплантер) представляет собой вакуумную установку и состоит из ионного источника, ускорительной системы, фокусирующих (пучок) элементов, масс сепаратора (для моноэнергетического пучка), электростатической системы сканирования пучка по поверхности, узла мишени и других систем. [4,6]. Для бомбардировки поверхности твердых тел используются ионы различных химических элементов - газовые и твердотельные (металлические), получаемые в ионном источнике. Для получения газовых ионов применяют различные методы их ионизации: тлеющий разряд, индукционный и высокочастотные разряды, вакуумно-дуговой разряд с наложением внешних магнитных или электрических полей для повышения эффективности источников. Для получения «металлических» ионов используются, в основном, испарительные (электронно-лучевые, лазерные, вакуумно-дуговые) источники. В мощных ионных ускорителях применяют дуговые и взрывоэмиссионные плазменные источники ионов [4,9]. Параметры ионного пучка (энергия ионов, поток, флюенс) выбирают в зависимости от решаемой задачи при обработке материалов. Например, для модифицирования конструкционных материалов методом имплантации достаточно иметь энергию ионов до 100 кэВ и флюенс до 1018 ион/см2, методом ионного перемешивания - флюенс до 1017 ион/см2. Ионно-пучковые технологии находят широкое применение в науке и технике. В настоящее время идет производственное освоение ионно-пучковой технологии, из которых рассмотри два следующих направления [1,4].
Получение (синтез) новых материалов:
• бомбардировка имплантация (в нанесение пленок (покрытий) на заданную подложку путем распыления мишени;
• подложки в процессе нанесения покрытия для улучшения адгезии и плотности наносимых слоев;
• полупроводники);
• ионно-пучковая эпитаксия при создании полупроводниковых структур.
Модифицирование материалов (поверхностного слоя):
• формирование заданного рельефа поверхности путем распыления;
• изменение структуры (аморфизация) путем имплантации;
• изменение элементного состава и фазового состояния путем имплантации, в том числе многокомпонентной имплантации, и/или ионного перемешивания атомов мишени и пленки, предвари-
нерировать и пучки ионов, и потоки плазмы в заданной последовательности. Это расширяет возможности обработки, так как дает возможность чередовать операция распыления, нанесения покрытий и имплантации ионов. Иоыно-плазмешшми называют и установки, оснащенные комбина-. цией отдельных источников, например, ионов и плазмы [4].
Ионно-плазменная обработка, как процесс одновременной или последовательной обработки поверхности ионами и плазмой, весьма эффективна при создании функциональных покрытий и пленок на материалах. В этом случае осуществляется ряд операций, необходимых для получения прочного сцепления покрытий с подложкой:
• предварительная очистка поверхности;
• напыление атомов;
• ионное перемешивание в процессе напыления.
В результате улучшается адгезия атомов пленки, повышается плотность пленок, снижается температура получения пленок, сохраняется стехиометрия пленок, возможно создание многослойных пленок и др. достоинства. Однако, еще недостаточно изучены физикохимия процессов формирования таких пленок, зависимость качества пленок от параметров плазмы и пучка ионов, сложно выбирать необходимые режимы осаждения и бомбардировки, необходимо тонко регулировать и температуру подложки, и скорости осаждения и. решать другие проблемы.
4. Концентрированные потоки энергии.
Использование концентрированных потоков энергии, генерируемых мощными электронными (МЭП) [4,8] и ионными (МИП) [4,9] пучками, лазерным излучением (ЛИ) [7,8,12,18], потоками высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП) [10,25,26] лежит в основе соответствующих радиационных технологий [3,4,7,10,17,25,26]. Сравнительный анализ этих технологий показан в табл. 2. (за исключением ВТИП). Для представленных технологий (табл. 1) и ВТИП общим являются: высокие плотности мощности (~1012 Вт/см2) и энергии (~100 Дж/см2 ), высокие градиенты температуры, создаваемые в поверхностном слое ( 10б -108 К/см ) и высокие скорости нагрева и закалки ( 199-10и К/с ), достижимые при определенных условиях. Каждая технология имеет свои особенности воздействия на твердое тело. Это касается передачи энергии в твердом теле ( электронам -ЛИ, электронам и ядрам -МЭП, атомам, электронам и ядрам -МИП и ВТИП), энерговыделения по глубине мишени, распределения температуры в твердом теле и термонапряжений, требований к вакууму в рабочей камере, особенностей в образовании дефектов и т.д. Воздействие КПЭ на металлы с плотностью энергии до 106 Дж/кг вызывает испарение, а при воздействии более 106 Дж/кг наблюдается гидродинамический выброс (взрыв) расплавленного вещества и образование плазменной «подушки», экранирующей воздействие на поверхность «хвоста» импульса КПЭ. При коротко импульсном (-десятки наносекунд) воздействии КПЭ возможны следующие процессы: возбуждение и эволюция интенсивных механических возмущений в мишени; гидродинамическое движение расплава и образующегося пара; плазмообразование; интенсивное испарение вещества; дефектообразование, например, кратерообразование и формирование шероховатой поверхности.
Кратерообразование на поверхности может возникнуть при филаментации (расслоении) пучка ионов или электронов, вследствие экранирования поверхности паром легколетучих компонентов (адсорбированных элементов), из-за выхода на поверхность пузырьков растворенных газов, избирательного плавления (испарения) фаз и перехода их в плазму, бомбардировки расплавленного участка поверхности «хвостом» импульса и др. Для снижения эффекта кратерообразования, свойственного МЭП и МИП, и шероховатости можно предварительно на мишень наносить специальные тонкие (1-5мкм) испаряемые покрытия Pb, А1, С [4].
Техника для использования КПЭ в лазерных и электронно-лучевых технологиях достаточно хорошо разработана и получила промышленное применение [7,8]. В стадии технологического освоения находятся ускорители МИП, МЭП и ВТИП [4,25,26].
Ускорители МИП оснащены диодными источниками ионов (например, магнитно-изолированный плапарный диод - установки ТОНУС, МУК, пинч-диод - ЛУЧ, магнитно-изолированный диод - ТЭМП, двойной диод - ВЕРА), в которых источником ионов является плазма (взрывоэмиссионная), образуемая на одном из электродов диода. Это позволило получить сильные ионные (ЕГ, С+, Be'. Al+, Mg+, Fe+, W4 и др.) импульсные (т«10~7с) потоки (от 10 до 250 А/см2) при ускорении ионов от 100 до 600 кэВ. Поперечное сечение пучка ионов имеет размер от 1-3 см2 до 200 см2, что позволяет облучать среднегабаритные детали и инструмент за один прием (загрузку).
Ускорители МЭП условно можно разделить на сильноточные (от 0.4 до 150 А/см2), низкоэнергетические (до 100 кэВ) и высокоэнергетические (более 200кэВ). Источниками электронов в
таких ускорителях могут быть плазмонаполнешше диоды, плазма тлеющего разряда, взрывоэмис-сионные катоды и др. Поперечный размер электронного пучка может быть 15-30 см2 или менее с системой сканирования по поверхности обрабатываемого изделия.
Таблица 2
Особенности воздействия концентрированных потоков энергии
Техника высокотемпературной импульсной плазмы создавалась для нагрева плазмы в установках термоядерного синтеза (например, как инжекторы горячих частиц). Параметры ускорителей ВТИП позволяют использовать их для технологического применения. Плазменные ускорители или плазменные пушки - это установки, генерирующие и ускоряющие высокотемпературные (Т>1()бК) плазменные потоки с помощью внешнего или «собственного» магнитного поля [25,26]. Ускорители с внешним магнитным полем относительно слаботочные (103А) по сравнению с ускорителями с собственным магнитным полем (103-10бА). К этому классу относятся ускорители плазмы с анодным слоем. Разгон плазмы осуществляется электромагнитной силой, обусловленной взаимодействием дрейфового (холловского, замкнутого) тока электронов плазмы с внешним магнитным полем. Такие ускорители могут быть 2-х ступенчатые, т.е. иметь разрядную и ускорительную ступени. Ускорители с собственным магнитным полем - это сильноточные и поэтому импульсные или квазистационарные плазменные установки, в которых разгон плазмы (как токопро-водящей среды) осуществляется под действием электродинамической силы, возникающей в результате взаимодействия радиальной составляющей межэлектродного тока плазмы с магнитным полем, созданным током в плазме. Если плазма представляет собой токопроводящую перемычку между электродами, то реализуется известный принцип (ускорения плазмы) рельсотрона [26]. Наибольшее практическое значение получили плазменные пушки с коаксиальными электродами [25,26]. Коаксиальные пушки работают в импульсном (т«хщ-ЫУт(а -время пролета частицей ускорителя длиной - L при скорости Vmax, т.е. десятки микросеку нд) режиме или в квазистационарном (т»сотнитпр, т.е. миллисекунды) режиме. Импульсные плазменные коаксиальные ускорители (типа МК-200, MKT, ВИКА, КСПУ и др.) успешно применяются для обработки материалов.
Кроме ускорителей с коаксиальной геометрией пушек для воздействия на материалы применяют и другие плазменные установки, в которых высокотемпературная импульсная плазма создается высокотоковым сомостягивающим на мишени разрядом, например на основе Z-пинча [24].
Концентрированные потоки энергии находят применение как для получения новых материалов, так и для модифицирования.
Получение (синтез) материалов; • испарение мишени и конденсация атомов на заданной подложке (получение пленок, нанораз-мерных порошков, например, фуллеренов-молекул углерода, тугоплавких соединений и др.);
• инициирование химических реакций на поверхности и в объеме (твердофазные реакции создания новых фаз).
Модифицирование материалов (поверхностного слоя):
• сверхбыстрая закалка сплавов, в том числе из жидкого состояния (термоупрочнение);
• изменение структуры (аморфизация, измельчение зерна, квазипериодические или многозонные структуры) материалов и предварительно нанесенных покрытий;
• изменение элементного состава и фазового состояния путем имплантации элементов из плазмы и жидкофазного перемешивания (легирования) атомов мишени и пленки, предварительно нанесенной на мишень;
• формирование заданного рельефа поверхности путем ее оплавления (заглаживание покрытий, увеличение адгезионной способности подложки);
• объемное ударное упрочнение путем формирования волн напряжений в мишени; « наплавка покрытий или слоев;
• удаление ранее нанесенных пленок и покрытий.
Следует подчеркнуть, что плазменные (и атомарные) потоки (пучки) для обработки поверхности имеют преимущество перед заряженными частицами (ионы, электроны) в том, что при их использовании нет ограничения на подъем мощности потока, существующего из-за объемного заряда в пучках ионов и электронов. Например, для ионных пучков интенсивность (ток) -1 связана с ускоряющим напряжением - и следующей зависимостью: Ы1?'г. Это означает, что увеличение тока возможно при увеличении энергии ионов и, следовательно, мощности пучка Р (Р « 11-1 « Ьт), что чревато перегревом мишени и нарушением ее структуры. Это вынуждает работать в импульсном режиме или переходить к высоким энергиям ионов (0,1-1,0 МэВ), хотя для имплантации оптимальными являются энергии 40-100 кэВ [4].
Результаты радиационного воздействия на материалы в значительной степени зависят от состава и состояния исходного материала, его теплофизических свойств (например, исходной температуры-Го, теплоемкости-Ср, плотности- р, теплопроводности-^.) состава среды в установке и в рабочей камере (особенно 02, С), уровня поглощенной энергии IV и ее распределения в мишени - С, процессов твердофазного взаимодействия, режимов облучения, геометрии образца, времени-х и других факторов. Например, максимальная температура мишени, как видно из следующей формулы, существенно зависит от свойств материала:
| 2 -1Г-0(2д,2и)
Т тах Т о I Г"
где 2Ч- глубина проникновения теплового потока ги - глубина проникновения излучения (у, е, ;').
Направления модифицирования материалов.
Конечной целью модификации является изменение физических, физико-механических и физико-химических свойств материалов (изделий), улучшение эксплуатационных свойств изделий, включая износостойкость, жаростойкость, коррозионно-усталостную прочность, трещиностой-кость, радиационную стойкость, снижение потерь на трение и др.
Хорошо известны следующие направления модифицирования [1,3]: в нанесение покрытий и пленок, в том числе многослойных; ® изменение топографии (рельефа) поверхности;
• изменение структуры приповерхностного слоя на различные глубины;
• изменение элементного состава и фазового состояния слоя;
• изменение дефектов структуры вблизи поверхности.
1. Покрытия и плети. Технологии нанесения защитных и декоративных покрытий и пленок посвящена обширная литература [5]. Поэтому остановимся на рассмотрении технологий их получения. Известно, что по способам нанесения покрытия (пленки) можно классифицировать следующим образом:
• механико-диффузионные, включающие плакирование, диффузионную сварку, пайку, ультразвуков}™ сварку, электродуговую наплавку, металлизацию;
• термические, включающие индукционную, лазерную, электронно-лучевую наплавку, электроискровое легирование, осаждение из расплава, осаждение из паровой фазы, создаваемой термическим испарением, ионным, магнетронным и катодным распылением:
в электрохимические, в том числе гальванические, электролитические, электрофоретические; в плазменные, включая газо-плазменную наплавку, вакуумно-злектродуговые (катодно-ионная бомбардировка-КИБ), ионно-плазменные и плазмодинамические методы, детонационно-газовое и электровзрывное напыление;
® другие, включая лакокрасочные, эмалевые, клеевые.
Особенно перспективными для получения многослойных и многокомпонентных, покрытий и пленок являются ионно-плазменные технологии [3,4,11,18-23]. Подложка, на которой формируется пленка, помещается в камеру с плазмой тлеющего разряда, вакуумно-дугового сильноточного разряда, с ионным, электронным или лазерным пучком. Выбирая энергию ионов (электронов) и ток пучка (плазмы) можно осуществить режимы конденсации (£=10-30 эВ), распыления (£>1 кэВ) или имплантации (£>10 кэВ), а для их реализации оснастить рабочую камеру различными источниками излучения и заряженных частиц, нагревателями, экранами и другими устройствами. На рис.2 показана схема формирования пленок на подложке (П) в камере, оснащенной источником ионов (И), анодом (А) и катодом (К) для создания плазмы.
Как видно на рис.2 на подложку можно направить поток ионов (2) из источника ионов (И) и из плазмы (1), возникающей между катодом и анодом, поток атомов материала катода, распыленных плазмой или другим источником (например, испарителем), осуществить взаимодействие атомов (ионов) с реактивным газом (3), напускаемом в камеру при определенных (заданных) условиях.
Важным для формирования пленок является управление потоком атомов у подложки, который будет определяться параметрами источников ионов и атомов, подачей реактивных газов (02. N2 и др.) при создании сложных по составу пленок, величиной напряжения между мишенью и подложкой - С/см, величиной угла падения потока на подложку, степенью распыления самой пленки в процессе осаждения, а при вакуумно-дуговом разряде и условиями сепарации часто образующейся капельной фазы. Поэтому для получения качественных многослойных пленок необходимо не допускать образования капельной фазы в потоке ионов (атомов) на подложку и неоднородности потока в слое Дебая (при давлении ~1Па). Необходимо учитывать возможную сепарацию ионов по массе из-за рельефа поверхности (регулировать угол падения потока), одновременное с осаждением распыление пленки (регулировать Г/см), поддерживать (регулировать) заданную температуру подложки для устранения термодесорбции, предварительно очищать подложку для обеспечения адгезии, постоянно (автоматически) управлять потоком и давлением в камере.
2. Изменение топографии (рельефа) поверхности. Проводится с целью сглаживания неровностей поверхности, например, для уменьшения трения или, наоборот, с целью создания неровностей, например, для повышения сопротивления ионному распылению, улучшения каталитических свойств. Типичные технологии изменения рельефа поверхности [1,6,8,12,13]:
• ионное и плазменное распыление и, возможно, последующее осаждение;
» воздействие концентрированными потоками энергии (потоки высокотемпературной плазмы, лазерное, электронное и ионное воздействие) для оплавления поверхности;
• нанотехнологии.
3. Изменение структуры и дефектов структуры приповерхностного слоя на различные глубины. Проводится с целью существенного изменения свойств изделий. Наиболее эффективный способ изменения структуры сложнолегированных материалов - это термообработка приповерхностного слоя, включая закалку и последующий (при необходимости) отпуск [1]. Для закалки необходимо быстро нагреть и охладить поверхностный слой материала. Изменение структуры слаболегированных или нелегированных материалов проводится методами механико-термической обработки. Наиболее распространенные технологии изменения структуры приповерхностного слоя материалов:
• поверхностная пластическая деформация, включая дробеструйный или центробежно-шариковый наклеп, обкатку роликами, обкатку с трением и другую механическую обработку;
Рис. 2 Потоки ионов, атомов и плазмы в рабочей камере.
• поверхностная термическая обработка, включая индукционный нагрев, сверхбыстрый нагрев концентрированными потоками энергии (импульсы высокотемпературной плазмы, лазерного, электронного и ионного воздействия) и быстрое охлаждение, например, за счет теплопроводности металлов или дополнительным теплоотводом.
® ударно-волновое воздействие (например, взрывом);
4. Изменение элементного и фазового состава приповерхностного слоя. Это один из наиболее эффективных способов модифицирования фазового состояния и, следовательно, свойств материала [1,4]. Для этого применяют широкий ряд традиционных и перспективных технологий: ® термохимическая обработка, включая группу технологий диффузионного насыщения поверхностного слоя различными элементами (С, N2, 81, В и Ме) из газовой, жидкой или твердой фазы: азотирование - Ы2 (Ш3) при 500-600 °С, цементирование - С (СЫ4, уголь + ВаСОз + СаСОз) при 910-930 °С, нитроцементирование - С + К2 при 820-950 °С, борирование - В (Ма.:В ¡О-. В4С) при 930-950 °С, силицирование - 81 при Т < металлизация - Сг, А1, ¿и (составы и температуры указаны для стали);
• электролитическое насыщение поверхностного слоя, включая хромирование, алитирование, титанирование, оксидирование;
• механическое легирование;
• ионная имплантация различных элементов;
• ионное перемешивание атомов, предварительно нанесенной тонкой (~ десятков нм) пленки;
• жидкофазное перемешивание атомов, предварительно нанесенного покрытия, при воздействии концентрированным потоком энергии.
Структура р а д и а п и о н н о-и у ч к о в ы х технологий
Структурная схема радиационной обработки материалов представлена на рис.3, и состоит из следующих блоков и задач [1]:
• техника для обработки, создающая потоки ионов, нейтральных атомов, электронов, плазмы, кластеров атомов (микро частиц), квантовое излучение, силовое воздействие, нагрев или охлаждение, заданную среду и др.
» методы обработки, включая имплантацию, распыление, осаждение, перемешивание, нагрев, деформирование, насыщение и др.
• регулируемые параметры при обработке: токи, потоки (флаксы), флюенсы, энергия и вид излучения (частиц), масса частиц, длительность импульса, температура мишени, окружающая среда и ДР-
• технологические задачи: изменение топографии поверхности, активация поверхности, изменение структуры или химического состава, нанесение или удаление слоя, залечивание дефектов поверхности и так далее;
® результат обработки - это измененные шероховатость поверхности, глубина (толщина) модифицированного слоя, его структура, состав и фазовое состояние, количество нанесенных слоев, адгезионная способность поверхности, уровень остаточных напряжений и др.
® эксплуатационные и другие свойства, созданные обработкой, например, износостойкость, эрозионная и коррозионная стойкость, прочность, твердость, выносливость, термостойкость, сопротивление трению, водородопроницаемость, электропроводность (диэлектриков), термоэде, эмиссионные характеристики и др.
Современные виды радиационно-пучковых технологий (РПТ) используют тепловую, кинетическую, электрическую и магнитную составляющие энергии и различные способы ее подвода к мишени (непрерывный, импульсный, импульсно-периодический. точечный, линейный, поверхностный, квазиобъемный). Модифицирующие действие может быть осуществлено за счет быстрого нагрева и охлаждения, имплантации, распыления, испарения, плазмообразования, дефектообразо-вания, химического взаимодействия, осаждения и эпитаксии, ионного перемешивания, термической и радиационно - стимулированной диффузии, термических и структурных напряжений, удар-но-волнового воздействия из-за газодинамического разлета плазмы и пара с поверхности материала. При этом происходят различные структурно-фазовые изменения, определяемые параметрами воздействия.
К числу наиболее заметных структурно-фазовых изменений следует отнести:
• увеличение параметра кристаллической решетки;
• разворот плоскостей;
• диспергирование микроструктуры;
® образование аморфной и ультра дисперсной фаз;
• накопление радиационных дефектов; » загрязнение материала примесями;
« растворение и образование радиацинно-стимулированных и радиационно-индуцированных фаз;
« расслоение твердых растворов, упорядочение;
® массоперенос в приповерхностном слое и в объеме;
» создание пересыщенных твердых растворов;
• изменение магнитного состояния сплавов;
• радиационно-индуцированная сегрегация;
• образование слоистых структур;
в формирование дислокадионно-дисклинационных субструктур;
• образование градиентных структурно-фазовых состояний и др.
Рис 3. Структурная схема радиационных технологий
При выборе РПТ с целью модификации и улучшения эксплуатационных свойств материалов необходимо оптимизировать способ решения задачи. Например, повышение износостойкости стальных деталей достигается упрочнением поверхности нитридами при комбинированной обработке: Ы2+ + ТО1! + Ы2+ [4]. Повышению сопротивления усталости способствует создание высокого уровня сжимающих напряжений в поверхностном слое путем ионной имплантации и (или последующего) воздействия концентрированных потоков энергии -КПЗ. Снижению сопротивления трению способствует комбинированная ионно-плазменная обработка. Для повышения коррозионной стойкости необходимо создать гомогенный твердый раствор легирующих элементов в основе, например, быстрым нагревом и охлаждением или жидкофазным легированием с использованием КПЭ, ионным перемешиванием. Весьма полезным для повышения коррозионной стойкости является сглаживание неровностей поверхности. Нами для повышения коррозионной стойкости сплавов циркония использовано легирование поверхности материалов атомами предварительно нанесенных тонких (десятки нм) пленок путем последующего облучения полиэнсргетичсским пучком тяжелых ионов [15]. В отличие от моноэнергетического пучка, как видно на рис.4, полиэнергетический обеспечивает более равномерное энерговыделение Рч{х) по глубине мишени. При ионном перемешивании, как и при имплантации, происходит достаточно глубокое проникно-
Рис. 4 Энерговыделение по глубине мишени
вение в мишень первично выбитых атомов пленки (и имплантанта), превышающее проективные пробеги. Причины значительного проникновения имплантанта в мишень, известные как «эффект дальнодействия», широко обсуждаются в литературе. Перечислим возможные механизмы этого явления:
• радиационно - стимулированная диффузия внедренных атомов;
« изменение типа движения атомов от броуновского к гидродинамическому (преимущественному) после возникающего при имплантации неравновесного фазового перехода;
• возникновение и распространение нелинейных упругих волн, рассеянных в конце эволюции каскада, амплитуда которых может превышать предел текучести материала - стт, что вызывает перенос атомов (локальный дислокационный источник);
в гидродинамический режим при перемешивании, возникающий вследствие микро неоднородно-стей энерговыделения вдоль поверхности образца (вследствие филаментации пучка);
• при импульсном (ударном) воздействии возникает дрейфовая составляющая потока массопере-носа, превышающая в 104 Сх(1-С) раз (где С - концентрация имплантанта) термофлуктуационную составляющую, направленная вглубь мишени вследствие напряжений, возникающих в результате ударной волны;
• высокий уровень статических напряжений и градиента напряжений в зоне имплантации (при стационарных условиях облучения), «проталкивающий» имплантант вглубь мишени;
® в неравновесных (метастабильных) до облучения структурах радиационное воздействие является своеобразным «спусковым» механизмом, способствующим релаксации избыточной свободной энергии и переходу структуры в более равновесное состояние.
Направления и перспективы совершенствования РПТ.
Для эффективного использования радиационного воздействия, как перспективной технологии, необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования, например, в следующих направлениях [1,4,8,14]:
1. Механизмы массопереноса в твердом теле (мишени) при ионной имплантации, ионном перемешивании и воздействии концентрированных потоков энергии. Необходимо оценить роль и значение радиационно - стимулированной диффузии, внутренних термомеханических напряжений, упругих ударно - волновых процессов, роль и значение характеристик мишени, включая атомные размеры и массы, энергию межатомной связи, теплоты смешения и другие параметры.
2. Закономерности формирования структурно-фазового состояния в мишени при многокомпонентной и высокодозной имплантации, при воздействии КПЭ (т.е. сверхбыстром нагреве и охлаждении мишени) в зависимости от природы и элементного состава материала, с учетом параметров радиационного воздействия и состояния окружающей среды.
3. Установление связи эксплуатационных свойств со структурно-фазовым состоянием в приповерхностном слое изделия.
4. Обоснование и выбор вида и режимов радиационного модифицирования материалов, комбинации различных методов для достижения максимального эффекта.
5. Исследование каналов диссипации энергии в сложно-легированных мишенях (фононная и электронная подсистемы, упругие волны, дефектные структуры) и эволюции изначально неравновесных структур в процессе радиационного воздействия.
Перспективы применения РПТ не вызывают сомнений [4,14]. Преимущества РПТ обусловлены их экологической чистотой и экономической эффективностью и, в частности, возможностью автоматизации технологического процесса обработки и контроля состояния мишени, прогрессом в научных исследованиях и конструкторских разработках. В настоящее время создано разнообразное оборудование для воздействия на материалы, включая:
• ионные импланторы на моноэнергетических и полиэнергетических пучках;
• мощные электронные (20-500кэВ, 4-5000А/см2, т>1СГ8с) и ионные (40-500кэВ, 5-150А/см2, т>10~8с) ускорители;
• высокоэнергетические электронные (до бМэВ, 0,4А/см2, т>10'6с) ускорители;
• плазмодинамические и электродинамические ускорители;
• плазменные установки различного назначения.
Для РПТ созданы разнообразные источники ионов [4]. Среди источников металлических инов известны вакуумно-душвые, вакуумно-дуговые с сильным магнитным полем, со вспомогательны-разрядом, с сеточной стабилизацией и магнитным полем, лазерно-плазменные, испарительные, источники с высоковольтным разрядом плазмы низкого давления и др. В качестве катода таких
Заключение
Одной из
будут обладать максимальной про-сохранять форму об-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калин Б . А . Перспективные технологии в материаловедении XXI века // Сб. научных трудов МИФИ, М: МИФИ,-
1998,- ч. 4,- с.232-234.
2. Калин Б . А -. Солонин М . И . Перспективные технологии получения и обработки материалов. Учебное посо-
бие. М.: МИФИ. -1999.-52с.
3. Report of the National Critical Technologies Panel, Arlington, Virginia, USA, 1991.-126p.
4. Plasma Processing of Advanced Materials in MRS Bulletin, Aug. 1996, v.21, № 8,p. 26-65.
5. Труды I-IV Всероссийских конф. по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц
(Томск- Свердловск- Томск- Томск), 1987,1991, 1994, 1996 г,
6. Тонкие поликристаллические и аморфные пленки. Физика и применение: Пер. с англ. / Под ред. Л.Казмерски. - М.:Мир,
1983. -304с.
7. Ионная имплантация: Пер. с англ./ Под ред. Дж.К.Хирвонена. - VI.: Металлургия, 1985.-.504с.
8. Д ыо л и У . Лазерная технология и анализ материалов: Пер. с англ. Е.А.Верного и В.Н.Сопшикова. - М.: Мир, 1986. -
504с. и серия из 7-ми книг «Лазерная техника и технология», выпущенная издательством «Высшая школа» в 1987г.
9. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными я электронными пучками: Пер. с англ.
Н.К.Мышкина и др. / Под ред. ААУглова. - М.: Машиностроение, 1987. -424с.
10. Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин И. Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность
металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 184с
11. Калин Б. А., Якушин В.Л., Польский В.И. Модификация металлических материалов при обработке
потоком высокотемпературной плазмы. // Изв. Вузов: Физика, 1994, т.5, с. 109-126.
12. Войценя B.C., Гужова С.К., Титова В.И. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромаг-
нитного излучения на материалы. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224с
13. Быковский Ю.А., Неволин В.Н., Фоминский В.Ю. Ионная и лазерная имплантация металличе-
ских материалов.- М.: Энергоатомиздат, 1991. - 240с.
14. Итоги науки и техники: Пучки заряженных частиц и твердое тело, т.7. - М.: ВИНИТИ, 1993. - 113с.
15. Материалы межотраслевых совещ. по радиац. физике твердого тела (1993 - 1998 г.г.).- М.: Изд-во МИЭМ.
16. Калин Б.А., Гладков В. П., Волков Н.В. и д р . Проникновение примесных атомов при воздействии
полиэнергетических пучков аргона. // Известия РАН: Мелаллы.-1994,-т.6,- с. 69-73.
17. Ion-Solid Interactions for Materials Modification and Processing, v.396. / Ed. By D.B.Parker et.al. - MRS, Pittsburgh, Pennsylva-
nia, 1996,- 900p.
18. Цыбии А. С. Физические основы пучковой, плазменной и фотонной технологии. Часть!: Учебное пособие. М.:
МИФИ, 1998,- 143с.
19. Математические модели для выбора радиационной технологии и управления качеством стали /И. М.Рожков, С.А.Власов, Г . Н . М у л ь к о М . : Металлургия, 1990. - 184с.
20. X р а б р о в В.А. Физико-химические процессы в плазмохимичееких реакторах: Учебное пособие. - М.: Изд. МИФИ,
1983.-64с.
21. Технологическое применение низкотемпературной плазмы: Р. Оулет, М. Барбье, П. Черемисинофф
и др. Пер. сангл.-М.: Энергатомиздат, 1983.-183 с.
22. Физика и химия плазменных металлургических процессов. - М.: Наука, 1985.-184 с.
23. Д а в и л и н Б . С ., К и р е е в В.Ю. Применение ивзкотемперагурной плазмы для травления и очистки материалов.
-М.: Энергоатомиздат, 1987.-264 с.
24. II а р х у т и н В . П ., Л а б у и о в В . А . Плазменное анодирование: Физика, техника, применение в микроэлектро-
нике. - Мн.:Навука i техника, 1990.-280 с.
25. Л у к ь я н о в С . Ю . Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. - М.: Наука, 1975.- 408 с.
26. Ионные инжекторы и плазменные ускорители: Сб. научн. ст. Под ред. А.И. Морозова, Н.Н. Семашко. - М.: Энергоатом-
издат, 1990.-256 с.ё
27. Физика и применение плазменных ускорителей. Сборник обзоров под ред. А.И. Морозова, Минск, Наука и техника, 1974
-400с.
Московский государственный инженерно-физический институт
