СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА ПУТЕМ ИОННОЙ ИМЛАНТАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
METHOD OF HARDENING A NANOSTRUCTURED METAL LAYER BY ION IMPLANTATION WITH ULTRASONIC ACTION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения прочностных характеристик материала.
Известны методы ионной имплантации [1-3], которые являются одними из эффективных методов модификации механических свойств металлов и сплавов. Применение этих методов приводит к образованию наноструктурного слоя (НС), насыщенного имплантированными ионами и радиационными дефектами, сопровождается закреплением дислокаций, что, с одной стороны, повышает уровень напряжений, необходимых для активации дислокационных источников вблизи поверхности материала, а с другой - препятствует выходу на поверхность дислокаций, образованных в объёме материала. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ ионной имплантации, описанный в [4]. В результате ионной имплантации материал упрочняется. Недостатком приведенных методов является неоднородное закрепление дислокаций в НС, чему способствуют локальные скопления имплантированной примеси и радиационных дефектов, что может существенно ограничить прочностные характеристики материала.
Целью данной работы является исследование возможности увеличения модуля упругости НС за счёт акустостимулированной диффузии локальных скоплений имплантированных ионов, сопровождающейся увеличением числа закреплённых дислокаций в объёме НС.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных характеристик и упрочнение металла,  увеличение модуля упругости наноструктурного слоя металла.
18
2
-5
4
Для достижения технического результата предлагается способ упрочнения наноструктурного слоя металла, включающий ионную имплантацию облучением с дозой 10ион/смполиэнергетическими ионами с энергией 15ч60 кэВ, отличающийся тем, что далее осуществляют ультразвуковую обработку поверхности металла с частотой 10 МГц, амплитудой деформации 10, временем обработки 10 с, при этом среднюю скорость диссипации энергии ультразвуковой волны  описывают формулой:
,
где  - коэффициент затухания ультразвуковой волны [5],
где  - скорость ультразвуковой волны в металле; , причем диффузия в поле ультразвуковой волны происходит в соответствии с обычным законом её тепловой активации, добавочное число перескоков , которое может быть совершено атомом в примесном скоплении за период  ультразвуковой волны описывают формулой:
,
где  - частотный фактор;  ,  - температура материала в начальный момент времени;  - постоянная Больцмана;  - распределение температуры в НС;  - энергия активации диффузии, причем коэффициент диффузии определяют темпом диссипации энергии , а также числом добавочных за период ультразвуковой волны перескоков  определяют формулой:
,
или ,
где  - плотность энергии ультразвуковой волны;  - амплитуда деформации, в процессе ультразвуковой обработки  изменение длины дислокационной петли  описывают формулой:
,
где  - исходная длина петли в момент времени ;  - относительная концентрация диффундирующей примеси из локального скопления, функция  описывает изменение во времени числа точек закрепления, добавленных к некоторой петле длиной .
Образование наноструктурного слоя блокирует выход на поверхность металла дислокаций и способствует их закреплению за счёт высокой концентрации имплантированных ионов и радиационных дефектов. В результате после ионной имплантации материал упрочняется. Однако локальные скопления имплантированной примеси способствуют неоднородному закреплению дислокаций в НС, что может существенно ограничить прочностные характеристики материала.Дислокационный механизм затухания ультразвуковой волны рассмотрен в рамках модели Гранато и Люкке [5].
В поверхностном слое металла до ионной имплантации имеется дислокационная сетка, состоящая из краевых дислокаций. При этом длина дислокационной петли определяется пересечением дислокаций. Расстояния между точками пересечения определяют петли длиной . В процессе ионной имплантации имеет место закрепление дислокаций точечными дефектами и ионами, которое определяет длину петли , меньшую, чем длина петли между точками дислокационных пересечений . Согласно модели Гранато и Люкке [5], рассматривается дислокационный механизм затухания ультразвуковой волны, в результате которого в локальной области НС, где дислокации не закреплены примесными атомами, либо частично закреплены, имеет место диссипация энергии ультразвуковой волны, средняя скорость которой определяется как
,     (1)
где  - коэффициент затухания ультразвуковой волны [5],
где  - скорость ультразвуковой волны в металле; ;
- модуль упругости;  - коэффициент Пуассона;  - величина вектора Бюргерса дислокации;  - плотность дислокаций;  - длина дислокационной петли;  - частота ультразвуковой волны; ; ;  - плотность материала; ,  - сила торможения, отнесённая к единице длины дислокации и к единице скорости.
Предполагается, что процесс диссипации энергии ультразвуковой волной может служить причиной диффузионного расплывания примесных скоплений, что может сопровождаться более равномерным распределением примеси по объёму НС и соответствующим увеличением числа закреплённых дислокаций, а также дальнейшим уменьшением средней длины дислокационной петли. Будем считать, что диффузия в поле ультразвуковой волны происходит в соответствии с обычным законом её тепловой активации, тогда добавочное число перескоков , которое может быть совершено атомом в примесном скоплении за период  ультразвуковой волны определится как
, (3)
где  - частотный фактор;  ,  - температура материала в начальный момент времени;  - постоянная Больцмана;  - распределение температуры в НС;  - энергия активации диффузии.
Коэффициент диффузии при этом будет определяться темпом диссипации энергии , а также числом добавочных за период ультразвуковой волны перескоков :
,         (4)
, (5)
где  - плотность энергии ультразвуковой волны;  - амплитуда деформации.
Рассмотривают диффузионное расплывание локального скопления примеси  из НС толщиной  (ось OX направлена от поверхности НС в объём тела) с отражающей границей (окисная плёнка на поверхности НС). Под отражающей следует понимать границу , через которую отсутствует поток вещества:
.  (6)
Уравнение диффузии и начальные условия имеют вид, соответственно
(7)
(8)
где ;  - концентрация имплантированных ионов в локальном скоплении в начальный момент времени; наличие в НС локального скопления примеси с центром в точке  моделируется дельта-функцией Дирака .
Решение уравнения (7) с краевыми условиями (6) и (8) имеет вид:
, (9)
где ; ; .
В процессе ультразвуковой обработки длина дислокационной петли меняется с течением времени как
,             (10)
где  - исходная длина петли в момент времени ;  - относительная концентрация диффундирующей примеси из локального скопления, функция  описывает изменение во времени числа точек закрепления, добавленных к некоторой петле длиной , и определяется формулой (9).
0
0
На фиг. 1 приведен конкретный пример реализации предлагаемого способа, где схематически показан НС с локальным примесным скоплением с центром в точке a и локальным распределением температуры с центром в точке a'. Ломаными линиями с точками изображены закреплённые примесями отрезки дислокационных линий.
Уравнения теплопроводности для случая внутреннего источника тепла в НС, моделируемого функцией вида , где  - мощность мгновенного точечного источника, расположенного в точке  и «срабатывающего» в момент времени   будет иметь вид:
,
с граничным и начальным условиями
где  - заданная функция времени.
Решение уравнения (1) с краевыми условиями (2) имеет вид:
(3)
где , ,  - неполная гамма-функция [6]; с – удельная теплоёмкость материала;  - коэффициент температуропроводности;  - плотность материала.
Изменение модуля упругости НС определяют как
,
где ;  - модуль упругости в начальный момент времени.
С учётом выражения ,
где ; ; .
получают
.
На фиг. 2 представлена рассчитанная по формуле зависимость коэффициента акустостимулированной диффузии  от параметра  для различных значений плотности дислокаций в НС Λ. Можно видеть, что величина  возрастает с ростом плотности дислокаций. Это связано с тем, что коэффициент затухания ультразвука пропорционален Λ [5] и, соответственно, возрастает средняя скорость диссипации энергии в области НС с частично закреплёнными дислокациями. Видно также, что  нелинейно зависит от плотности энергии ультразвуковой волны.
S
0
а
ac
15
16
Зависимость коэффициента акустостимулированной диффузии D от параметра  при a´ = 0.25; x´ = 0.25, E = 1 эВ для различных значений плотности дислокаций в НС Λ: 1 – Λ = 10; 2 – Λ = 10.
a
a
a
0
2
На фиг. 3 представлена зависимость числа дополнительных активационных перескоков атомов из примесного скопления в поле ультразвуковой волны от параметра  для различных значений энергии активации диффузии E. Из рис. 3 видно, что с ростом плотности энергии ультразвуковой волны W величина    уменьшается с увеличением энергии активации диффузии (сравн. кривые 1 и 2 на фиг. 3). Видно также, что для энергии активации диффузии E =1 эВ величина , это означает, что один активационный перескок примесного атома приходится примерно на 10 периодов ультразвуковой волны. Зависимость числа дополнительных активационных перескоков атомов из примесного скопления в поле ультразвуковой волны от параметра  для различных значений энергии активации диффузии E , эВ:  1 – 1; 2 – 2. a´ =  x´ = 0.5.
На фиг. 4 представлено распределение примеси  (в относительных единицах) при акустостимулированной диффузии в НС с отражающей границей.
-8
-6
-4
0
Распределение примеси при диффузии в полуограниченное тело с отражающей границей из примесного скопления в НС для различных значений величины : 1 – 10; 2 – 10; 3 – 10; для а = 0; l = 300 нм.
Как видно из фиг. 4, в поле ультразвуковой волны имеет место диффузионное расплывание примесного скопления в НС, что может сопровождаться увеличением числа точек закрепления дислокаций и, как следствие, ростом модуля упругости НС. Оценка величины изменения модуля упругости НС при  даёт примерно 20%, что позволяет считать методы акустостимулированных процессов весьма эффективными для управления механическими свойствами ионно-имплантированных НС.
Проведенные испытания показали влияние ультразвуковой обработки НС металла на процесс диффузионного расплывания примесных скоплений, сформировавшихся при ионной имплантации. Показано, что данный процесс сопровождается закреплением дислокаций и, соответственно, увеличением модуля упругости НС примерно на 20%.
-2
2
Показано, что коэффициент диффузии имплантированной примеси нелинейно зависит от плотности энергии ультразвуковой волны и существенно возрастает с ростом плотности дислокаций в тех областях НС, где закрепление дислокаций отсутствует. Получена оценка числа дополнительных активационных перескоков имплантированной примеси в поле ультразвуковой волны, которая составила 10, т.е. один активационный перескок примесного атома приходится примерно на 10 периодов ультразвуковой волны. Установлено, что величина добавочных активационных перескоков является нелинейной функцией плотности энергии ультразвуковой волны W и с ростом последней возрастает примерно как . Показано, что диффузионное расплывание локальных скоплений имплантированной примеси в ультразвуковом поле приводит к росту модуля упругости НС примерно на 20% за счёт увеличения числа закреплённых дислокаций, что сопровождается упрочнением материала.
В ионно-имплантированных НС существуют дополнительные степени свободы для управления их механическими свойствами за счёт увеличения числа закреплённых дислокаций в условиях акустостимулированного расплывания локальных скоплений имплантированной примеси и точечных дефектов.
Источники информации
1. Юров В.М. Влияние ионного облучения на свойства наноструктурных покрытий Zn-Al и Fe-Al / В.М. Юров, Е.Н. Вертягина, С.А. Гученко, Е. Хуанбай // Современные наукоёмкие технологии. – 2011. - №5. – С. 63-68.
2. Белоус В.А. Влияние ионного облучения на ползучесть и твердость поверхности сплава Zr1Nb / В.А. Белоус, Е.В Карасева, Г.И. Носов, В.И. Соколенко и др. // Вестник ТГУ. – 2010. - Т. 15. – Вып. 3. – С. 910-911.
3. Овчинников И.И. Влияние радиационных сред на механические характеристики материалов и поведение конструкций / И.И. Овчинников, И.Г. Овчинников, М.Ю. Богина, А.В. Матора // Интернет-журнал «Науковедение». – 2012. - №4. – С. 1-39. – URL: https://naukovedenie.ru/PDF/110tvn412.pdf.
4. Белоус В.А. Изменение твёрдости и модуля упругости поверхности сплава Э110 после облучения ионами металлов / В.А. Белоус, Г.И. Носов, В.М. Хороших, О.В. Бородин и др. // ФIП ФИП PSE. – 2010. – Т. 8. - № 2. – Vol. 8. – No. 2. – С. 138-142.
5. Труэлл Р. Ультразвуковые методы в физике твёрдого тела / Р.Труэлл, Ч. Эльбаум, Б. Чик. – М.: Мир, 1972. – 307 с.
6. Бейтмен Г. Высшие трансцендентные функции. Т.2 / Г. Бейтмен, А. Эрдейи. – М.: Наука, 1974. – 295 с.