离子注入表面处理

离子注入技术,表面处理,Ion Implantation Technology,目录,第一部分,第三部分,离子注入技术简介,文献研读,.,高能注入,.,低能注入,第二部分,第四部分,离子注入在金属表面改性中应用,总结与展望,离子注入技术简介,TEXT,离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入,什么是,离子注入？,TEXT,什么是,离子注入技术？,在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子注入固体材料，从而在被注入的区域形成一个具有特殊性质的表面层,离子注入技术简介,TEXT,通过离子注入技术可以使金属材料表面陶瓷化和金刚石化，使其披上一层十分坚固的盔甲。常用注入原子有,:,碳、氮、氧、硼、氦、磷、铁、铝、锌、钴、锡、镍等，注入原子原则上可以是元素周期表中的任何元素，被注入基体原则上可以是任何材料,离子注入金属表面改性,改善化学性能,改善物理性能,改善机械性能,价值,离子注入技术简介,Case 1,Case 2,Result,totally,离子注入改性机理,高速离子注入金属后,与金属中的原子、电子发生弹性碰撞,(,离子能量较低,),、非弹性碰撞,(,离子能量较高,),逐渐把离子的动能传递给反冲原子和电子,完成能量的传递和沉积,如果晶格原子从碰撞中获得足够的能量,(,大于移位阀功即克服断键能和克服势垒作功之和,),则被撞击原子将越过势垒而离开晶格位置进入原子间隙成为间隙原子,如果反冲原子获得的反冲能量远远超过移位阀功,它会继续与晶格原子碰撞,产生新的反冲原子,发生“级联碰撞”,离子注入金属表面后,有助于析出金属化合物和合金相、形成弥散强化相、位错网，灵活地引入各种强化因子,即掺杂强化和固溶强化,离子注入技术简介,1.,进入金属晶格的离子浓度不受热力学平衡条件的限制,2.,注入是无热过程,可在室温或地温下进行，不引起金属热变形,3.,注入离子在基体中与基体原子混合,没有明显的界面,注入层不会像镀层或涂层那样发生脱落现象,添加文本,添加文本,添加文本,添加文本,添加文本,4.,不受合金相图中固溶度的限制,能注入互不相容的杂质,可改变金属材料的表面硬度,断裂韧度,弯曲强度,提高耐磨性,可以进行新材料的开发,;,注入离子在基体中进行原子级混合,可以形成固溶体、化合物或新型合金。,5.,技术特点,离子注入技术简介,注入温度,能量和剂量,离子种类,升温往往使注入所得的亚稳态结构,(,如过饱和固溶体和非晶态,),转变成平衡状态，从而使注入而硬化的表面层发生软化；加速表面层原子扩散，使得注入层浓度降低。,对于金属表面改性用离子注入,一般要求在常温或低温,(,碰撞起主要作用,),下,(,如小于,100),进行。,一般来说,对于金属材料,注入离子的剂量越大、浓度越大、分布越均匀,表面改性效果就越好。,注入离子能量和剂量的调节是通过改变离子注入的电参数实现的,改变离子源和加速器能量,可以调整离子注入的浓度和深度,选择原子半径大的注入离子在合适温度下尽量吸附在位错上,注入间隙原子,如,N,、,O,或,C,，以有利于形成各种复杂的化合物,从而形成弥散强化,影响因子,离子注入在金属表面改性中应用,提高表面硬度与强度,大量的实验和研究表明,:,离子注入可以不同程度的提高金属材料表面的强度和硬度,;,金属表面的硬度和强度随着注入剂量的增加而增加。当金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时,可在金属近表面中析出碳化物、氮化物、磷化物等弥散相,表面洛氏硬度得到提高。,TABLE,N,+,注入后金属表面硬度增加量,离子注入在金属表面改性中应用,提高抗磨损、抗氧化、抗腐蚀和抗疲劳性能,通常认为离子注入使基体相晶面间距增大,产生晶格畸变和形成新的强化相,是材料硬度和耐磨性提高的主要原因。常采用,N,、,Cr,、,Te,、,Mo,等离子注入来提高金属材料的耐磨性和铁合金的表面力学性能。,H13,钢塑料模具注入,N,离子后,耐磨性和耐腐蚀性提高,注入铝离子钢的抗氧化性提高,。,FIGURE,65Nb,钢实验结果,离子注入在金属表面改性中应用,降低摩擦系数,实验表明,:,摩擦系数的增减与注入离子的种类有关，增减幅度与注入离子的剂量和能量有关。,FIGURE,Co,离子注入,HSS,样品的摩擦系数与摩擦次数的关系,TABLE,离子注入降低摩擦系数的效果,文献研读,Ion Implantations of Oxide Dispersion Strengthened Steels,氧化物弥散强化钢的离子注入,文献阅读,TEXT,Introduction,在核电行业中对结构材料的要求很高，例如反应堆压力容器钢，因为这些材料都将受到巨大的辐射，高强度的热应力和器械应力。随着对核电行业当今的迅速发展，对相应结构材料的研究很有必要。,点击此处添加标题,ODS steel MA956,因为基于含有,铬、铝和硅等合金元素以及形成了结构稳定弥散氧化物，所以具有的高难热腐蚀性。因其在各方面的优异性能，它被大量应用于第四代核电站的核反应堆压力容器中。,点击此处添加标题,文中主要研究了样品在辐射前是否收到热应力对其辐射损伤的评估（用离子注入技术模拟）,文献研讨,Materials Preparation and Treatment,Materials:MA956,氧化物弥散强化钢，钢钉切割后样品达到,10,*,10,*,0.4(max 0.6)mm,打磨，抛光（抛光所用的颗粒尺寸为,0.5m,）,热处理,离子注入,测试,文献研讨,在离子注入前共制备出四中不同处理样品：,采用氢离子注入，注入剂量：,6.24 10,17,ions/cm,2,，注入能力：,800 keV,，注入温度不超过,100,文献研讨,Experimental Results,所有处理样品都将用设置,FWHM,参数接近,200 ps,的,fastfast mode,下的正电子湮没寿命谱仪（,Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy,PALS),来进行测量。,正电子是电子的反粒子,两者除电荷符号相反外,其他性质（静止质量、电荷的电量、自旋）都相同。,正电子源放射的正电子（同时发射能量为,1.27 MeV,的,光子）入射到测试样品中,同其中的电子发生湮没,放出,射线,(511 keV,的,光子,),。用,1.27 MeV,的,光子标志正电子的产生,并作为起始信号,511 keV,的湮没辐射,光子标志正电子的“死亡”，并作为终止信号。两个信号之间的时间就是正电子湮没寿命。,文献研讨,PALS,能够测量样品在深度,120m,以上缺陷尺寸和浓度。,用,PALS,测得在缺陷中，正电子寿命和正电子湮没强度,运用,LT 10,软件得出对应的缺陷尺寸和缺陷数量,文献研讨,样品的缺陷中的湮没寿命和缺陷强度与处理方法的关系图,1,、未经离子注入的样品的湮没寿命在,260 ps,左右，说明样品中空位团的大小为,5,2,、横切和纵切样品的测试结果不一样可能是因为不同切割方向和切割位置造成的微观结构不均匀性,3,、,MLT100,样品的湮没寿命处于未进行热处理样品中间，但其缺陷强度却下降，说明空位缺陷减少，这可能是由于退火发生回复与再结晶过程,MLT500,也有相同情况但在更长时间退火后缺陷略微增加,4,、氢离子注入前后，样品淹没寿命明显增加（特别是经过热处理），缺陷强度变化不明显，即其空位数量不变但空位尺寸增大,文献研讨,平均湮没寿命计算公式：,注入前后各样品的平均湮没寿命对比图,1,、结构不均匀性和热处理造成平均湮没寿命不同,2,、所有样品经过离子注入后其平均湮没寿命都增加，即离子注入使得空位尺寸增大,文献研讨,注入前后各样品的缺陷浓度对比图,通过,LT 20,软件计算出缺陷浓度,1,、热处理会使缺陷浓度减少，且随着退火时间增加浓度越低,2,、通过离子注入后的样品，其缺陷浓度大幅下降（主要是因为缺陷中的湮没寿命的增长），又一次得出空位尺寸增加，即更大尺寸空位团形成的结论,文献研讨,Conclusion,文中研究了氢离子注入模拟辐射损伤以及不同时间退火处理方，对氧化物弥散强化钢,MA956,的结构影响。得出以下结论：,氢离子注入能使得样品缺陷尺寸从,4,个空位的空位团增大到,56,个空位的空位团大小，同时热处理也能使得空位尺寸增大,缺陷强度并没有随着退火时间发生明显变化，特别对于经过离子注入样品,缺陷浓度计算结果显示随着退火时间延长和氢离子的注入，缺陷浓度降低,纵切和横切引起的微观结构不均匀性带来了一些误差,以上得出的是一些初步结论，后续研究将会有进一步深入,文献研读,Investigation of Various Phases of FeSi Structures Formed in Si by Low Energy Fe Ion Implantation,对通过低能铁离子注入在硅表面形成不同铁硅结构相的研究,文献研讨,Experimental I,nstruments,and Methods,Instruments:,低能离子注入器,(IBMAL),离子源,(NEC),XPS(PHI 5000 Versaprobe),XRD(Rigaku Ultima III),Methods,：,Fe ion(50KeV,，,0.50 10,17,atoms/cm,2,and 2.16 10,17,atoms/cm,2,)into Si(100),，,room temperature,vacuum,在真空下不同样品分别在,500,和,800,下退火,60,分钟,测试,文献研讨,Results and Discussion,不同注入剂量样品的,XRD,：,根据衍射峰判定，在低注入剂量（,0.50 10,17,atoms/cm,2,）并经过退火后只有,FeSi,2,相和,FeSi,相出现，没有,Fe,3,Si,或其亚稳态相出现,文献研讨,根据衍射峰判定，在高注入剂量（,2.1610,17,atoms/cm,2,）下，经过,500,退火后有,F,三种不同的,Fe-Si,相在表面和,14nm,处出现：,FeSi,2,相、,FeSi,相和,Fe,3,Si,相，但经过,800,退火后只有,FeSi,2,相出现,文献研讨,通过三种,Fe-Si,相不同的峰值结合能对,XPS,采集的距表面,14nm,的,Fe 2p,3/2,峰值结合能数据进行进行剥离得到右图所示：,高注入剂量（,2.1610,17,atoms/cm,2,）,文献研讨,基于,XRD,和,XPS,测试结果的各类稳定,Fe-Si,相浓度的深度分布图,Conclusion,基于右图，能测定用离子注入方法在硅集体上合成的,Fe-Si,薄膜的各类相的深度分布,1,、离子注入后形成的无定型的,a-FeSi,2,经过退火后结晶形成,-FeSi,2,2,、样品在高能离子注入后距表面,14nm,到,28nm,处生成三种相,3,、,a-Fe,3,Si,在经过,500,1h,退火后结晶形成晶体,Fe,3,Si,，经过,800,1h,退火后转化成,-FeSi,2,和,FeSi,2.1610,17,atoms/cm,2,总结与展望,TEXT,离子注入技术,总结与展望,离子注入属原子级表面加工技术。其改性效果明显、效率高、可控性和可操作性强、无污染等优点逐渐显出强大的生命力和优势。但离工业化、产业化道路还有一段距离,作者认为有以下发展方向,:,(1),从注入离子与金属表面相互作用的物理化学与冶金规律出发,探讨注入工艺参数对表面改性层结构和性能的影,响规律,;,(2),提高改性层厚度,探讨注入层厚度增长动力学、热力学影响因素；,(3),实现多元注入、高能注入、不同能量重叠注入；,(4),加大研究与开发力度,使离子注入这一新型表面改性技术多领域、多功能、多形式的应用。,参考文献,1 S.Sojak,J.Simeg Veternikova,V.Slugen,M.Petriska,et al.Ion Implantation