CC BY
0
- ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА -
Модификация рельефа поверхности аддитивных материалов при облучении
ионами Лг+
Д.С. Киреев,1, * К.Ф. Миннебаев,1 В.А. Киселевский,2 А.Е. Иешкин1
1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2 2 Физико-технологический институт имени К.А.Валиева Российской академии наук (ФТИАН им. К. А. Валиева РАН) Россия, 117218, Москва, Нахимовский проспект д. 36 к. 1 (Поступила в редакцию 27.04.2024; подписана в печать 14.05.2024)
Аддитивное производство (АП) — современная развивающаяся группа технологий, основанная не на удалении материала, а на послойном выращивании и синтезе объекта по модели САПР (система автоматизированного проектирования). Основные недостатки объектов, изготавливаемых технологиями АП, — высокая степень пористости и шероховатости поверхности. В работе рассмотрена возможность модификации поверхности аддитивных материалов Т16Л14У и Л^10 Mg с помощью облучения ионами Лг+ с энергиями в диапазоне от 2 до 9 кэВ. С помощью СЭМ получена топография поверхности до и после облучения и механической полировки. Продемонстрировано уменьшение пористости и шероховатости поверхности, а также влияние энергии пучка на итоговый рельеф поверхности.
PACS: 79.20.Rf, 81.16.Rf. УДК: 538.971, 539.
Ключевые слова: распыление, ионы Aг+, нанорельеф поверхности, аддитивные материалы, ионная модификация.
Бет: 10.55959/MSU0579-9392.79.2440501
ВВЕДЕНИЕ
Являясь методом послойного добавления материала с последующим его спеканием аддитивное производство позволяет сокращать материальные затраты и время производства, а также получать изделия сложной формы, которые крайне сложно изготовить другими методами [1, 2]. Одним из широко применяемых методов является метод селективного лазерного плавления (БЬМ), при котором деталь создается из металлического порошка посредством спекания слоев под действием лазера в бескислородной среде [3]. Требования к износостойкости, микроструктуре и механическим свойствам ограничивают выбор материалов, пригодных для аддитивного производства [4, 5].
В настоящее время аддитивный подход используется для решения широкого круга прикладных задач. Возможность изготовления деталей сложной формы с использованием технологий лазерного аддитивного производства имеет большой потенциал в аэрокосмической промышленности [6, 7] и биомедицине [2]. При этом существуют определенные требования к материалу имплантов: механические свойства, биосовместимость с тканями человека, остеоинтеграция. Поэтому шероховатость поверхности, ее морфология и состав поверхности подобных многокомпонентных материалов крайне важны. Для постоянного развития технологии аддитив-
* Е-таП: [email protected]
ного производства и его применения в вышеуказанных отраслях необходимо устранить его главный недостаток, связанный с низким качеством получаемой поверхности, которая при наличии нерасплавленных гранул порошка остается крайне шероховатой и пористой. В зависимости от размера используемого абразива механическая полировка позволяет значительно снизить шероховатость поверхности, обеспечить достаточно однородную структуру поверхности. Однако ее нельзя использовать для обработки внутренних полостей деталей с развитым рельефом поверхности. Кроме того, после механической полировки в поверхностном слое материала остаются абразивные частицы.
Электрохимическая полировка [8] и лазерно-плазменная полировка [9] позволяют полировать внутренние поверхности деталей сложной формы. Первый метод позволяет сглаживать поверхность до значений не лучше, чем Ка = 0.01 мкм и требует подбора химически агрессивных веществ для каждого типа материалов и последующую утилизацию химических отходов. Недостатками второго метода являются необходимость создания защитной атмосферы, препятствующей окислению материала в процессе полировки, и ограничение на возможность полировки деталей сложной формы.
Хорошо известно, что под действием облучения ускоренными ионами благородных газов происходит модификация нанорельефа поверхности [1012]. Варьируя энергию ионного пучка, угол падения и ионную дозу облучения можно добиться эффективного удаления поверхностных выступов,
что приводит к сглаживанию поверхности [13, 14]. В данной работе рассмотрено влияние облучения ионами Аг+ на рельеф и пористость поверхности мишеней Т16А14V и А18110М^, изготовленных методом селективного лазерного спекания.
го термополевым катодом (катодом Шоттки) и обладающим предельным разрешением около 1 нм. Изображения получались при использовании внут-рилинзового детектора при энергии электронного пучка 10 кэВ, а образец исследовался при увеличении до 200 000х.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве исследуемых мишеней были использованы цилиндрические образцы высотой 5 мм, диаметром 10 мм из сплавов Ti6Al4V и AlSi10Mg. Образцы были изготовлены из мелкодисперсных порошков (средний размер зерна 20-60 мкм) методом селективного лазерного плавления (SLM) на производственной площадке SIU System Центра аддитивного инжиниринга. Послойное спекание производилось под действием Yb-волоконного лазера мощностью 400 Вт с диаметром фокусировки около 100 мкм.
Облучение проводилось на ускорителе ионов МГУ имени М. В. Ломоносова. Исходная поверхность образцов облучалась пучком ионов Ar+ при различных энергиях в диапазоне от 2 до 9 кэВ с одинаковой ионной дозой 1018 ион/см2. Установленная на расстоянии 15 мм от поверхности образца металлическая диафрагма уменьшает диаметр пучка до 3 мм, что обеспечивает более однородное облучение (рис. 1). Давление в рабочей камере поддерживалось на уровне 5 х 10~6 Торр. Ионная доза определялась по величине ионного тока с образца, определяемого интегратором. При этом для подавления вторичной электронной эмиссии на расстоянии 10 мм от образца была установлена вторая диафрагма с диаметром 5 мм, на которую подавался отрицательный потенциал -100 В.
Аг+
Рис. 1. Схема эксперимента
Также некоторые образцы были подвергнуты механической абразивной полировке без последующего облучения ионами Ar+.
Топография поверхности до и после облучения, а также после механической полировки исследовалась с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Carl Zeiss Ultra 55, оборудованно-
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Коэффициенты распыления подобных сплавов, полученных аддитивным методом, могут отличаться от обычных сплавов в виду влияния метода получения сплава на микроструктуру. Для оценки величины удаленного слоя с поверхности облученных в образцов А1Б110 М^ и Т16А1^ были использованы данные о коэффициентах распыления чистых Т и А1 [15]. Работа [16] показывает, что коэффициент распыления А1, А10.95810.05 и А10.72810.18 различаются не более чем на 10%.
500
400
200-
—,-,-,-.-,-г-
3 4 5
E, кэВ
—I
10
Рис. 2. Зависимость величины удаленного слоя от энергии ионов
Наиболее эффективное сглаживание рельефа поверхности сплава А1Б110 Mg наблюдается при малых энергиях пучка. Облучение поверхности ионами с энергией 2 кэВ приводит к проявлению крупных полостей, обусловленных методом производства данного материала. Поверхность между полостями значительно сглаживается по сравнению с исходной и выглядит наиболее однородной. При этом появляются поры малого диаметра порядка 20-30 нм (рис. 3, б). Увеличение энергии приводит к формированию более развитого рельефа по сравнению с исходной поверхностью, концентрация маленьких пор значительно повышается, а диаметр пор увеличивается до 50-100 нм (рис. 3, в). Развитый рельеф поверхности, облученной при энергиях 4 и 6 кэВ, состоит из совокупности выступов и впадин разного размера, при этом края выступов более гладкие по сравнению с исходной поверхностью. При дальнейшем повышении энергии до
600
300
100
Рис. 3. СЭМ изображения поверхности Л1Я110Mg до и после облучения ионами Лг+ при различных энергиях при ионной дозе облучения 1018 ион/см2
9 кэВ рельеф поверхности эволюционирует к состоянию, при котором крупные полости разного диаметра перекрываются и частично объединяются с нанопорами, концентрация которых значительно возрастает (рис. 3, д). В результате чего поверхность состоит из совокупности «чешуек», объединенных между собой, что значительно повышает эффективную площадь поверхности и степень ее пористости. Стоит отметить, что поверхность самих «чешуек» относительно гладкая в наномасштабе.
В то время как крупные полости присущи материалу мишени и являются следствием послойного спекания мелкодисперсного металлического порошка [4, 17], поры мелкого диаметра (20-100 нм) появляются вследствие ионной бомбардировки. Можно предположить, что при данной ионной дозе облучения и энергии ионов имеет место блистеринг, т.е. образование газовых полостей (блистеров) в приповерхностных слоях твердого тела при его облучении газовыми ионами [18]. Глубина пробега ионов аргона в приповерхностном слое А1 для диапазона энергий от 2 до 9 кэВ составляет от 5 до 12 нм соответственно. При этом величина удаленного слоя составляет 350-550 нм (рис. 2), что значительно превосходит глубину пробега. Вероятно, нанопоры есть результат распыления блистеров, образованных на небольшой глубине от поверхности.
Пористость поверхности обнаруживается и при меньшей ионной дозе облучения, 5 х 1017 ион/см2 (рис. 4, а), которой соответствует удаленный слой, по нашей оценке порядка 225 нм. При этом пористость более ярко выражена, что может быть связано с вдвое меньшей толщиной удаленного слоя при
той же глубине пробега ионов в приповерхностном слое.
На рис. 5 представлены СЭМ-изображения поверхности Т16А14У после облучения Аг+ с различными энергиями. На изображении исходной поверхности (рис. 5, а) наблюдаются протяженные линейные структуры, которые могут как возникать из предшествующих зерен ,0-фазы, образовавшихся на стадии затвердевания жидкости и сохранившиеся до комнатной температуры [17], так и являться следами механической постобработки поверхности на производстве. Облучение с энергией 4 кэВ приводит к развитию рельефа поверхности, при этом так же, как в случае со сплавом A1Si10Mg, проступает пористая структура материала (рис. 5, б). Однако в данном случае пористость менее выражена и развитый рельеф обусловлен преимущественно перекрывающимися крупными полостями. С ростом энергии ионов (рис. 5, в) пористость поверхности уменьшается, при этом рельеф поверхности состоит преимущественно из крупных выступов и впадин высотой более 100 нм, более мелкие шероховатости сглаживаются, присутствует малое количество пор диаметром до 50 нм. Облучение с энергией 9 кэВ приводит к удалению макроскопических выступов, поверхность планаризуется и формируется нанорельеф шероховатостью менее 100 нм, поверхность становится более развитой, однако отдельные поры отсутствуют (рис. 5, г).
Образование рельефа под действием облучения атомарными ионами является результатом нестабильности, возникающей в результате двух конкурирующих процессов: распыления, скорость кото-
Рис. 4. СЭМ-изображения поверхности до и после облучения ионами Аг+ при с различными ионными
дозами при энергии 9 кэВ
Рис. 5. СЭМ-изображения поверхности Т16А14У до и после облучения ионами Аг+ при различных энергиях при ионной дозе облучения 1018 ион/см2
рого зависит от локальной кривизны поверхности, и поверхностной миграции атомов [10, 19]. Поликристаллическая структура поверхности также оказывает значительное влияние на формирующийся рельеф [20]. К тому же неравномерное распределение поверхностных напряжений, возникающее во время традиционных процессов обработки поверхности, таких как притирка и полировка, приводит
к неравномерной скорости распыления отдельных участков поверхности. Совокупность этих факторов приводит к тому, что под действием ионной бомбардировки может происходить как сглаживание, так и развитие рельефа. Поэтому установление точной причины образования того или иного рельефа является сложной задачей. Представленная на рис. 5, г топография поверхности предположитель-
но обусловлена динамическим равновесием между вышеописанными процессами сглаживания и развития рельефа.
Таким образом энергия ионов Аг+ при облучении поверхности сплавов A1Si10Mg и Т^А14V влияет на шероховатость поверхности, ее однородность и пористость. В случае сплава A1Si10Mg наибольшее сглаживание поверхности достигается при энергии 2 кэВ, при этом поверхность остается однородной и не содержит нанопор. В то время как для сплава наиболее оптимальным режимом в данном диапазоне энергий является облучение при энергии 9 кэВ, позволяющим получать планаризован-ную поверхность с наименьшим масштабом шероховатости и отсутствием выраженной пористости. При этом ионная доза облучения влияет на увеличение степени пористости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С помощью сканирующей электронной микроскопии определено влияние энергии ионов Аг+ на топо-
графию поверхности, формирующейся под действием ионного облучения сплавов A1Si10Mg и Т^АГ^, полученных с помощью аддитивного производства. Установлены оптимальные режимы сглаживания поверхности при наименьшей степени ее пористости. Показано, что, в зависимости от типа сплава, энергетические режимы облучения, при которых происходит сглаживание поверхности без развития пористости, кардинально отличаются. При энергии облучения 2 кэВ в случае A1Si10Mg на поверхности не развивается рельеф, в то время как увеличение энергии до 9 кэВ приводит формированию сложного рельефа, образованного перекрывающимися порами диаметра 20-100 нм и крупными полостями. Облучение сплава Т^А14V при низких энергиях приводит к сглаживанию рельефа, при этом облучение с энергией 9 кэВ приводит к планари-зации поверхности и формированию нановыступов высотой до 100 нм. Мелкие поры при облучении с высокими энергиями 6 и 9 кэВ не наблюдаются.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-79-01144, https://rscf.ru/project/23-79-01144
[1
[2 [3 [4 [5 [6 [7
[8 [9
[10
Sova A., Doubenskaia M., Grigoriev S. et al. // Journal of Thermal Spray Technology. 22, N 4. 551 (2013).
Danielli F., Berti F., Nespoli A. et al. // Procedia Structural Integrity. 56. 82 (2024). Schmidt M., Merklein M., Bourell D. et al. // CIRP Annals. 66, N 2. 561 (2017).
Fan H., Hu J., Wang Y. et al. // // Optics and Laser Technology. 175. (2024).
Tarasova T.V., Nazarov A.P., Shalapko Y.I. // Journal of Friction and Wear. 35, N 5. 365 (2014). Khodabakhshi F., Gerlich A.P. // Journal of Manufacturing Processes. 36. 77 (2018). Sotov A.V., Agapovichev A.V., Smelov V.G. et al. // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 107, N 5-6. 2525 (2020). Danilov I., Hackert-Oschdtzchen M., Zinecker M. et al. // Micromachines (Basel). 10, N 3. (2019). Yadroitsev I., Bertrand P., Antonenkova G. et al. // Journal of laser applications. 25. N 5. 052003-1. (2013).
Bradley R.M., Harper J.M.E. // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and
Films. 6, N 4. 2390 (1988).
Mikhailenko M.S., Pestov A.E., Chernyshev A.K. et al. // Technical Physics. 92, N 8. 1035. (2022). Valbusa U., Boragno C., De Mongeot F.B. // Journal of Physics Condensed Matter. 14, N 35. 8153 (2002). Chernysh V.S., Patrakeev A.S., Soldatov E.S. et al. // Journal of Surface Investigation. 1. N 6. 717 (2007). Zhou G, Bi Y., Ma Y. et al. // Appl Surf Sci. 476. 905 (2019).
Yamamura Y., Tawara H. // At Data Nucl Data Tables. 62, N 2. 149 (1996).
Белов Я.Д., Куприянов А.Н., Лобзов К.Н. et al. // Труды XXVI Международной конференции ВИП 2023. 1. 49. (2023). http://isi2021.uniyar.ac.ru/ files/proceedings/ISI2023Volume1.pdf
Yang X., Ma W., Gu W. et al. // RSC Adv. Royal
Society of Chemistry. 11, N 37. 22734. (2021).
Kamada K., Naramoto H., Kazumata Y. // Journal
of Nuclear Materials. 71. 249 (1978).
Cuerno R., Makse H.A., Tomassone S. et al. //Phys
Rev Lett. 75. N 24. 4464 (1995).
Ieshkin A., Kireev D., Ozerova K., Senatulin B. //
Materials Letters. 272. 127829. (2020).
Modification of the Surface Topography of Additive Materials under Ar+ Ion
Irradiation
D.S. Kireev1", K.F. Minnebaev1, V.A. Kiselevskiy2, A.E. Ieshkin1
1 Department of Physical Electronics, Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University
Moscow 119991, Russia 2 Valiev Physics and Technology Institute of the Russian Academy of Sciences Moscow 117218, Russia E-mail: a kireev. dmitriy@physics. msu. ru
Additive manufacturing (AM) is a modern developing group of technologies based not on the removal of material, but on the layer-by-layer growth and synthesis of an object according to a CAD (Computer-Aided
Design) model. The main disadvantages of objects manufactured using AM technologies are a high degree of porosity and surface roughness. This work examines the possibility of modifying the surface of additive materials Ti6 Al4 V and AlSi10Mg using irradiation with Ar+ ions with energies in the range from 2 to 9 keV. Using SEM, the surface topography was obtained before and after irradiation and mechanical polishing. A reduction in surface porosity and roughness was demonstrated, as well as the influence of beam energy on the final surface topography.
PACS: 79.20.Rf, 81.16.Rf.
Keywords: sputtering, Ar+ ions, surface nanorelief, additive materials, ion modification. Received 27 April 2024.
English version: Moscow University Physics Bulletin. 2024. 79, No. 4. Pp. 494-499. Сведения об авторах
1. Киреев Дмитрий Сергеевич — канд. физ.-мат. наук, науч. сотрудник; e-mail: [email protected].
2. Миннебаев Кашиф Файзелхакович — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник, доцент; e-mail: [email protected].
3. Киселевский Всеволод Алексеевич — аспирант; e-mail: [email protected].
4. Иешкин Алексей Евгеньевич — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник; e-mail: [email protected].
