CC BY
11
УДК 539.534.9
ИЗМЕНЕНИЕ ДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРЫ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРОКАТАННОЙ ФОЛЬГИ CU50NI50 С НАПЫЛЕННЫМ СЛОЕМ АЛЮМИНИЯ ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ AR+
НОВОСЕЛОВ А.А, *ШУШКОВ А.А., БАЯНКИН В.Я., *ВАХРУШЕВ А.В.
Физико-технический институт УрО РАН, 426001, г. Ижевск, ул. Кирова, 132 *Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. В статье представлены результаты облучения ионами Ar+ прокатанных фольг Cu50Ni50 с напыленным слоем Al при различных энергиях ионов, плотностях тока и интегральных дозах облучения. Выявлено изменение дефектной структуры на сверхбольших глубинах и немонотонное распределение дефектов по глубине.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ионная имплантация, эффект дальнодействия, микротвердость. ВВЕДЕНИЕ
Предыдущие исследования состава прокатанной медно-никелевой фольги после облучения выявили, что в результате ионной имплантации происходит перераспределение компонентов материала (меняется соотношение концентраций атомов меди и никеля) по глубине с необлученной стороны [1]. При этом толщина фольги составляет 50 мкм, что на несколько порядков превышает расчетную глубину изменения состава и структуры материала в результате ионной имплантации, а проникновение ионов не через объем материала отсутствует [2].
Исходя из результатов исследования химического состава и микротвердости необлученной стороны фольги сплава Cu60Ni40, представленных в работе [3], было предположено, что изменение химического состава материала происходит вследствие релаксации дефектной структуры: возникающие при облучении неравновесного материала потоки точечных дефектов по-разному взаимодействуют с атомами меди и никеля, вследствие чего происходит "сцепление" атомов с потоками дефектов и их сегрегация в сторону стоков точечных дефектов [4].
Как известно [5], величина микротвердости материала напрямую зависит от дефектной структуры материала. Однако, поскольку исследование микротвердости в предыдущих работах проводилось на приборе ПМТ-3 с нагрузкой на индентор 10 г, ее величина определялась по слою толщиной 4 - 7 мкм. Характер дефектной структуры внутри этого слоя (в пределах, влияющих на микротвердость) и его изменение с глубиной оставались неизвестны.
Одним из основных способов исследования физико-механических характеристик поверхностных слоев сталей, тонких пленок является метод наноиндентирования [6 - 9]. Существует много информации о модуле упругости, твердости, полученной этим методом [10 - 14]. Эксперимент на индентирование проводится в соответствии с ГОСТ 9450-76 или другими в зависимости от типа индентора.
В данной работе для анализа микротвердости использовалась установка NanoTest-600 (Англия), позволившая провести точное измерительное индентирование с различными нагрузками на индентор. Твердость при этом измеряется для различной толщины образца и, как правил, уменьшается с ростом нагрузки, что является следствием размерного эффекта (Indentation Size Effect - ISE - в англоязычной литературе). Основные причины данного эффекта приведены в работе [15].
В предыдущих работах было предположено наличие зависимости дефектной структуры от расстояния до облучаемой поверхности. В этом случае будет наблюдаться отличие
характера зависимости микротвердости от глубины измерения для облученных образцов от характера зависимости для эталона.
Соответственно, целью работы является исследование зависимости микротвердости необлученной стороны прокатанной фольги сплава Си50№50 с напыленным слоем алюминия после имплантации ионов аргона от параметров облучения и глубины измерения по сравнению с эталонным образцом.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На фольги Си50№50, прокатанные до толщины 50 мкм и находящиеся в сильно неравновесном состоянии, напылялся алюминий до расчетной толщины слоя порядка 80 -100 нм. Напыление проводилось резистивным методом в вакууме порядка 10- торр. Со стороны напыленнного слоя фольга облучалась ионами аргона:
1) энергия облучения (Е) - 40 кэВ, доза облучения ф) - 5-1016 ион/см2, плотность тока (]) - 10 мкА/см2.
2) Е = 40 кэВ, D = 7,5-1016 ион/см2, ] = 10 мкА/см2;
3) Е = 40 кэВ, D = 1-1017 ион/см2, ) = 10 мкА/см2;
4) Е = 20 кэВ, D = 5-1016 ион/см2, ] = 10 мкА/см2;
5) Е = 50 кэВ, D = 5-1016 ион/см2, ) = 10 мкА/см2;
6) Е = 40 кэВ, D = 5-1016 ион/см2, ] = 20 мкА/см2;
7) Е = 40 кэВ, D = 5-1016 ион/см2, ) = 30 мкА/см2;
8) Е = 40 кэВ, D = 54016 ион/см2, ] = 50 мкА/см2.
Твердость поверхностных слоев определялась методом индентирования на комплексной измерительной системе NanoTest 600 по методике Оливера - Фарра, с использованием индентора Берковича (трехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 65,3° и радиусом закругления около 200 нм).
Исследования проводились для четырех сил 50, 100, 250, 500 мН по 24 измерения для каждой силы, т.е. суммарное число испытаний индентированием для каждого образца равнялось 96.
Время нагрузки и разгрузки точки индентирования 20 с. Время задержки при максимальной силе нагружения 10 с. Граничные условия задавались общими, т.е. либо при достижении максимальной допустимой силы, либо максимальной глубины проникновения (10 мкм) контакт индентора с образцом прекращался.
Расстояние между точками индентирования задавалось 100 мкм, для захвата большей площади поверхности и для выполнения условий ГОСТа 9450-76, а именно расстояние между центрами отпечатков, нанесенных на одну поверхность, должно превышать размер отпечатка более чем в три раза. После каждого внедрения индентора в образец при переходе к следующей точке индентирования индентор отводился от поверхности на расстояние 20 мкм во избежание контакта с поверхностью при переходе.
Глубина проникновения индентора увеличивается с ростом нагрузки от 875 до 3650 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Измерение твердости исходных образцов показало наличие размерного эффекта (рис. 1). Зависимость твердости от силы вдавливания имеет монотонный характер и уменьшается с 2,49 ГПа при 50 мН до 2,07 ГПа при 500 мН (табл. 1). Минимальная погрешность измерений в 1,6 % наблюдалась, как и следовало ожидать, при максимальной нагрузке в 500 мН, однако погрешность измерений при минимальной нагрузке в 50 мН составила всего 1,9 %, тогда как при нагрузках 250 и 100 мН - 2,1 и 3,2 % соответственно.
На рис. 2 представлена фотография поверхности фольги сплава Си50№50 после прокатки. Размер зерен составляет 50 - 100 мкм, что превышает толщину фольги.
Рис. 1. Размеры отпечатков индентора при различной силе вдавливания
Таблица 1
Зависимость твердости от силы вдавливания
Сила нагружения, мН 500 250 100 50
Микротвердость, ГПа 2,07 2,30 2,45 2,49
Погрешность, % 1,6 2,1 3,2 1,9
Зависимость микротвердости от параметров облучения
На рис. 3 представлены зависимости микротвердости от плотности ионного тока при различных значениях силы. При силе вдавливания 500 мН повышение плотности тока с 10 до 20 и 30 мкА/см2 приводит к увеличению твердости фольги с необлученной стороны с 2,09 до 2,22 ГПа. Однако при плотности тока 50 мкА/см2 твердость фольги вновь снижается до 2,09 ГПа.
При силе вдавливания 250 мН характер зависимости микротвердости от плотности тока иной - при увеличении последней с 10 до 50 мкА/см2 наблюдается монотонное снижение твердости с 2,42 до 2,24 ГПа.
При силе вдавливания 100 мН при повышении плотности тока происходит линейное увеличение твердости с 2,29 до 2,43 ГПа на всем диапазоне плотности. Фактически, с учетом погрешности, зависимости микротвердости от плотности ионного тока при величине нагружения 100 и 250 мН зеркально отражают друг друга.
При минимальной силе вдавливания 50 мН величина микротвердости образцов, облученных при плотностях тока 10 и 50 мкА/см2, составляет 2,85 ГПа, а облученных при плотностях тока 20 и 30 мкА/см - 2,58 ГПа.
2,0 -|-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-, 2,1 -|-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,
0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60
2,5 п 2,7 п
2,1 -|-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-, 2,3 -|-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,
0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60
Плотность тока (мкА/см2) Плотность тока (мкА/см2)
Рис. 3. Зависимость твердости от плотности ионного тока при различной силе нагружения
На рис. 4 представлены зависимости микротвердости от дозы облучения. При силе вдавливания 500 и 50 мН независимо от дозы облучения величина микротвердости составляет 2,11 и 2,43 ГПа соответственно (погрешность 1,61 и 2,71 %).
При силе вдавливания 250 мН микротвердость линейно уменьшается с 2,42 до 2,18 ГПа. При силе вдавливания 100 мН - линейно растет с 2,29 до 2,46 ГПа. Фактически, при данных величинах нагружения характер зависимости микротвердости от дозы облучения аналогичен описанной выше для образцов, облученных с различной плотностью тока.
На рис. 5 представлены зависимости микротвердости от энергии ионов при различных величинах нагружения. При силе вдавливания 500 мН значение микротвердости с ростом энергии ионов колеблется от 2,19 до 2,09 ГПа и обратно до 2,15 ГПа. Среднее значение составляет 2,14 ГПа, погрешность - 1,75 %, отклонение при 40 кэВ - 2,52 %. При силе вдавливания 50 мН микротвердость уменьшается с 2,55 ГПа при энергии ионов 20 кэВ до 2,39 ГПа при 40 кэВ и вновь растет до 2,54 ГПа при 50 кэВ, т.е. в целом повторяет характер зависимости при нагрузке 500 мН.
2,2 -|-,-,-,-,-,-,-, 2,2 -|-,-,-,-,-,-,-,
4,00Е+016 6,00Е+016 8,00Е+016 1.00Е+017 4,00Е+016 6,00Е+016 8,00Е+016 1.00Е+017
Доза облучения (ион/см2) Доза облучения (ион/см2)
Рис. 4. Зависимость твердости от дозы облучения при различной силе нагружения
2,1- Т 2,3
2,0 -I-,-,-,-,-,-,-,-2,2 J-,-,-,-,-,-,-,-
20 30 40 50 20 30 40 50
Энергия ионов (кэВ) Энергия ионов (кэВ)
Рис. 5. Зависимость твердости от энергии ионов при различной силе нагружения
При силе вдавливания 250 мН с ростом энергии ионов значение микротвердости сначала возрастает с 2,32 до 2,42 ГПа, после чего резко снижается до 2,23 ГПа.
При силе вдавливания 100 мН происходит линейное уменьшение микротвердости с 2,39 ГПа при 20 кэВ до 2,11 ГПа при 50 кэВ.
Опираясь на полученные результаты, можно сделать вывод, что микротвердость медно-никелевой фольги сплава Си50№50 с необлучаемой стороны немонотонно зависит от параметров облучения; наилучшие значения твердости (по совокупности измерений при различных силах нагружения) достигаются при имплантации ионов аргона с близкими к 30 мкА/см плотностями тока до интегральной дозы порядка 7,5-10 ион/см2.
Зависимость микротвердости от величины нагружения
В табл. 2 представлено изменение значений микротвердости необлученной стороны фольги при облучении с различными плотностями тока, измеренных при различных величинах нагружения, относительно микротвердости исходных образцов при соответствующей величине нагружения, т.е. с учетом размерного эффекта.
Таблица 2
Изменение значений микротвердости необлученной стороны фольги при облучении с различными плотностями тока, измеренных при различных величинах нагружения
Плотность тока, мкА/см Значение микротвердости, %
500 мН 250 мН 100 мН 50 мН
10 0,63 4,92 -6,41 -3,88
20 4,91 3,77 -3,41 3,75
30 7,36 3,13 -2,13 3,83
50 0,82 -2,70 -0,62 -4,23
Исходя из этих данных, можно выявить зависимость микротвердости облученного образца от толщины измеряемого слоя.
При облучении с плотностью тока 10 мкА/см2 наблюдается увеличение твердости при силе нагружения 250 мН (глубина отпечатка 2350 нм) на 4,92 % и уменьшение твердости при силе нагружения 100 и 50 мН (глубина отпечатка 1420 и 930 нм соответственно) на 6,41 и 3,88 %. При силе нагружения 500 мН микротвердость совпадает с исходной (до облучения).
Так как величина микротвердости определяется свойствами не только продавленного индентором слоя, но и нижележащими слоями, было бы в корне неправильно говорить в данном случае о повышении твердости слоя, находящегося на глубине от 1420 до 2350 нм. Однако можно уверенно утверждать, что после облучения с необлученной стороны фольги, формируются чередующиеся слои с повышенной и пониженной относительно исходной микротвердостью (с учетом размерного эффекта).
При облучении с плотностью тока 20 мкА/см2 наблюдается увеличение твердости при силе нагружения 500, 250 и 50 мН на 3,75 - 4,91 %, а при силе нагружения 100 мН -уменьшение на равнозначную величину 3,41 %. То есть микротвердость с изменением силы нагружения с 50 до 100 мН и далее до 250 мН сначала уменьшается на ~ 7 % от микротвердости исходного образца, а потом увеличивается обратно на ~ 7 %. Дельта между минимальным и максимальным значениями микротвердости (сила нагружения 100 и 500 мН соответственно) составляет 8,32 % от микротвердости исходного образца. Эти значения рассчитаны уже с учетом размерного эффекта, следовательно, здесь также имеет место чередование слоев с различной твердостью.
При плотности тока 30 мкА/см2 зависимость микротвердости от величины нагружения в целом повторяет наблюдавшуюся в предыдущем случае, за исключением того, что разность величин твердости между значениями твердости 100 и 250 мН составляет только 5,26 %, а между 100 и 500 мН - 9,49 % от микротвердости исходного образца.
При плотности тока 50 мкА/см2 на фоне снижения микротвердости на 5,05 % при уменьшении силы нагружения с 500 до 50 мН наблюдается ее незначительное повышение на 2 - 3 % при силе нагружения 100 мН. Однако, поскольку для необлученного образца погрешность измерения микротвердости при силе нагружения составляет 3,2 %, это повышение находится в пределах погрешности.
В табл. 3 представлено изменение значений микротвердости необлученной стороны фольги при различных дозах облучения, измеренных при различных величинах нагружения. Первый представленный в таблице образец описан выше.
У образца, облученного до интегральной дозы 7,5-10 ион/см2 со снижением силы нагружения с 500 до 50 мН и, соответственно, глубины отпечатка с 3350 до 930 нм, наблюдается уменьшение микротвердости на 7,26 %.
Таблица 3
Изменение значений микротвердости необлученной стороны фольги при различных дозах облучения, измеренных при различных величинах нагружения
Доза облучения, ион/см2 Значение микротвердости, %
500 мН 250 мН 100 мН 50 мН
5Е+16 0,63 4,92 -6,41 -3,88
7,5Е+16 3,76 1,60 -3,35 -3,50
1Е+17 1,23 -5,23 0,62 0,91
17 2
У образца, облученного до интегральной дозы 10 ион/см при силе нагружения 250 мН (глубина отпечатка 2310 нм) микротвердость снижена на 5,23 % от значения для необлученного образца, при других значениях величины нагружения - совпадает с исходным в пределах погрешности.
В целом можно сделать вывод, что превышение дозы 5-1016 ион/см2 не приводит к росту микротвердости, не вызывает формирования слоев с различной микротвердостью, и следовательно, не представляет практического интереса.
В табл. 4 представлено изменение значений микротвердости необлученной стороны фольги при различных энергиях ионов.
Таблица 4
Изменение значений микротвердости необлученной стороны фольги при различных энергиях ионов, измеренных при различных величинах нагружения
Энергия ионов, кэВ Значение мик ротвердости, %
500 мН 250 мН 100 мН 50 мН
20 5,05 0,82 -2,27 2,50
40 0,63 4,92 -6,41 -3,88
50 4,01 -3,27 -13,72 2,00
За исключением образца, облученного ионами с энергией 40 кэВ и описанного выше, можно отметить только увеличение на 5,05 % микротвердости образца, облученного ионами с энергией 20 кэВ, при силе нагружения 500 мН и резкое уменьшение на 13,72 % микротвердости образца, облученного ионами с энергией 50 кэВ, при силе нагружения 100 мН, в остальном изменения микротвердости по сравнению с исходным необлученным состоянием этих двух образцов не выходят за пределы погрешности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исходя из представленных результатов, можно сделать следующие выводы.
Наблюдается существенно различный характер изменения твердости в зависимости от комбинации нагрузка - параметры облучения, обусловленный зависимостью дефектной структуры, формируемой облучением, от его параметров и расстояния до облучаемой поверхности.
Микротвердость медно-никелевой фольги сплава Си50№50 с необлучаемой стороны немонотонно зависит от параметров облучения.
Наиболее оптимальным является облучение медно-никелевых материалов с близкими к 30 мкА/см плотностями тока до интегральной дозы порядка 7,5-10 ион/см2.
Наихудшие значения микротвердости показывают измерения с нагрузкой 100 мН.
Различный характер зависимостей микротвердости от параметров облучения при постоянной нагрузке на индентор указывает на неоднородность распределения дефектов с обратной стороны фольги, подвергнувшейся облучению.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 10-02-96039_урал) и Программы Президиума РАН 12-П-2-1013.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новоселов А.А., Колотов А.А., Баянкин В.Я. Исследование влияния ионной имплантации на состав поверхностных слоев и микротвердость прокатанных медно-никелевых фольг с напыленным слоем алюминия // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, № 1. С. 106-110.
2. Баянкин В.Я., Тетельбаум Д.И., Гусева М.И. Сегрегационное проявление «эффекта дальнодействия» при имплантации ионов бора в фольгу сплавов пермаллой-79 и Cu-Ni // Материалы XVII Междунар. конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2005). Звенигород : Изд-во МАИ, 2005. Т. 2. С. 110-113.
3. Новоселов А.А., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Композиционное расслоение в поверхностных слоях фольги Ni-Cu при ионной имплантации // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 6. С. 57-65.
4. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М. : Металлургия, 1990. 216 с.
5. Пащенко О.В., Гирсова Н.В., Гашенко С.А. и др. Микротвердость ионно-имплантированных металлов // Физика и химия обработки материалов. 1997. № 4. С. 13-18.
6. Андриевский Р.А., Калинников Г.В., Hellgren N. и др. Наноиндентирование и деформационные характеристики наноструктурных боридонитридных пленок // Физика твердого тела. 2000. T. 42, вып. 9. С. 1624-1627.
7. Jung Y-G., Lawn B.R., Huang H. et al. Evaluation of elastic modulus and hardness of thin films by nanoindentation // J. Mater. Res. 2004. V. 19, № 10. Р. 3076-3080.
8. Shojaei O.R., Karimi A. Comparison of mechanical properties of TiN thin films using nanoindentation and bulge test // Thin Solid Films. 1998. V. 332, Is.1-2. Р. 202-208.
9. Sklenika V., Kucharova K. et al. Mechanical and creep properties of electrodeposited nickel and its particle-reinforced nanocomposite // Rev. Adv. Mater. Sci. 2005. № 10. Р. 171-175.
10. Gong J., Miao H., Peng Z. A new function for the description of the nanoindentation unloading data // Scripta Materialia. 2003. V. 49, № 1. Р. 93-97.
11. Вахрушев А.В., Шушков А.В., Шушков А.А. Экспериментальное исследование модуля упругости Юнга и твердости микрочастиц железа методом индентирования // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, № 2. С. 258262.
12. Вахрушев А.В., Шушков А.А. Расчет модуля упругости наноструктурных элементов методом согласования решений краевых задач теории упругости и молекулярной динамики // Известия ТулГУ. Сер. Математика, Механика, Информатика. 2005. Т. 11, вып. 5. С. 24-35.
13. Ляхович А.М., Шушков А.А., Лялина Н.В. и др. Прочностные свойства наноразмерных полимерных пленок, полученных в низкотемпературной плазме бензола // Химическая физика и мезоскопия. 2010.Т. 12, № 2. С. 243-247.
14. Cho Sung-Jin, Lee Kwang-Ryeol, Eun Kwang Yong. Determination of elastic modulus and Poisson's ratio of diamondlike carbon films // Thin Solid Films. 1999. V. 341, Is.1-2. Р. 207-210.
15. Федосов С.А., Пешек Л. Определение механических свойств материалов. Современные зарубежные методики. М. : Изд-во Физич. ф-та МГУ, 2004. 98 с.
CHANGES OF DEFECT STRUCTURE AND CHEMICAL COMPOSITION OF ROLLED CU50NI50 FOIL WITH ALUMINUM COATING CAUSED BY IMPLANTATION OF AR+ IONS
Novoselov A.A., *Shushkov A.A., Bayankin V.Ya., *Vakhrushev A.V.
Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia *Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY: Rolled Cu50Ni50 are irradiated with Ar+ ions under various ion energies, ion current densities and doses of irradiation. Modification of defect structure in abnormally deep layers of target is found. Non-monotonous distribution of defects with depth is revealed.
KEYWORDS: ion implantation, long-range effect, hardness.
Новоселов Андрей Андреевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, заведующий лабораторией электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 43-06-75, e-mail: less@fti.udm.ru
Шушков Андрей Александрович, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории механики наноструктур ИМ УрО РАН, тел. (3412) 21-45-83, e-mail: ligrim@mail.ru
Баянкин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 43-01-71
Вахрушев Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией механики наноструктур ИМ УрО РАН, e-mail: postmaster@ntm.udm.ru
