Способ ионной имплантации

 

Изобретение относится к радиационному материаловедению и предназначено для обработки поверхности различных конструкционных материалов. Целью изобретения является улучшение механических характеристик поверхности за счет уменьшения коэффициента распыления. Обработка поверхности осуществляется путем имплантации ионного пучка с плотностью мощности 1-10³ Вт/см² с предварительным облучением поверхности импульсным ионным пучком с плотностью мощности 5·10⁶-10⁸ Вт/см² и удельной энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см² .

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено для улучшения электрофизических, химических и механических свойств поверхности металлов и сплавов, диэлектриков и других конструкционных материалов. Целью изобретения является улучшение механических характеристик поверхности за счет уменьшения коэффициента распыления. Сущность способа ионной имплантации заключается в следующем. Предварительно облучают поверхность изделия ионным пучком с плотностью мощности 5˙ 10⁶-10⁸ Вт/см² и удельной энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см². Затем формируют плазму необходимого ионного состава, из которой образуют ускоренный пучок ионов. Этими ионами облучают предварительно обработанную поверхность с плотностью мощности 1-10³ Вт/см². В процессе предварительного облучения механизм уменьшения коэффициента распыления материала подложки после воздействия мощного пучка ускоренных ионов состоит в следующем. Воздействие пучка с плотностью мощности 5 ˙ 10⁶-10⁸ Вт/см² и энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см² сопровождается несколькими физическими явлениями на поверхности. Во-первых, такой поток мощности в виде ускоренных ионов вызывает быстрый разогрев и испарение приповерхностного слоя материала, толщина которого сравнима с проективным пробегом ускоренных ионов. В дальнейшем при разлете испаренного и частично ионизованного вещества возникает ударная волна отдачи, которая распространяется вглубь материала. Ударная волна приводит к изменению структуры материала на глубинах 10^-5 м. С другой стороны, оказывает влияние эффект сверхбыстрого остывания за счет отвода тепла внутрь образца благодаря его теплопроводности. Скорость остывания в этих случаях составляет 10⁷-10⁸ град/с. Это также приводит к существенному изменению структуры приповерхностного слоя материала. Совместное воздействие этих явлений вызывает улучшение механических характеристик поверхности. В частности, улучшается такой параметр как микротвердость, с которым коррелирует коэффициент распыления. П р и м е р. Коэффициент распыления нержавеющей стали 12Х18Н10Т ионами W при ускоряющем напряжении 40 кВ составляет величину ≈ 11. Экспериментальные данные говорят о том, что после воздействия импульсным пучком ионов углерода с плотностью мощности 5 ˙ 10⁷ Вт/см², энергией ионов в 3 ˙10⁵ эВ, плотностью тока 165 А/см² и длительностью импульса 100 нс на изделие из нержавеющей стали 12Х18Н10Т возникает модифицированный слой с коэффициентом распыления, равным 1,0 на глубине 1 мкм. Далее, используя источник ионов, формируют плазму ионов W, ускоряют ее напряжением 40 кВ, и облучают обработанный мощным пучком образец из стали. В целом увеличение микротвердости при предварительном облучении мощными пучками ионов в указанной области плотности мощности и энергии в пучке экспериментально наблюдались на следующих материалах: инструментальная сталь Р6М5, сплавы ВК-6, ВК-8, Т15КВ, Т15К10, 12ХН10, ВТ18У, СТ45, СТ3 и др.

Формула изобретения

СПОСОБ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ, включающий формирование плазмы, ускорение ионного пучка и облучение поверхности изделия пучком с плотностью мощности 1 - 10³ Вт/см², отличающийся тем, что, с целью улучшения механических характеристик поверхности за счет уменьшения коэффициента распыления, перед формированием плазмы проводят облучение поверхности ионным пучком с плотностью мощности 5 · 10⁶ - 10⁸ Вт/см² и удельной энергией в импульсе 0,5 - 10 Дж/см².