离子注入表面处理

1、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

2、、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

3、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

4、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

5、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。TABLEN+ 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

6、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。FIGURE65Nb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TEXTIntroduction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

7、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 TreatmentMaterials: 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

8、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 1017 ions/cm2 ，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

9、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52、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

10、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

11、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

12、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 Instruments and MethodsInstruments: 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

13、 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FeSi2 相和FeSi相出现，没有Fe3Si 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

14、现：FeSi2 相、FeSi相和Fe3Si相，但经过800退火后只有FeSi2 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 2p3/2 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-FeSi2 经过退火后结晶形成-FeSi2 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- Fe3S

15、i在经过500 1h退火后结晶形成晶体Fe3Si，经过800 1h退火后转化成-FeSi2 和FeSi2.1610 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

16、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 Implantations of Oxide Dispersion Strengthened SteelsJ. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.2 Wickramaarachchige J, Lakshantha, et al. Investigation of Various Phases of FeSi Structures Formed in Si by Low Energy Fe Ion ImplantationJ. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.3 冯凯. 离子注入提高不锈钢耐腐蚀和表面导电性质的研究D. 上海：上海交通大学博士学位论文, 2011.4 陈