Obrabotka Metallov 2011 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (52) 2011 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ обусловлены только статистическим распределением имплантируемых полиэнергетическим пучком ионов. Анализ концентрационныхпрофилейимплантиро- ванных образцов показал, что наряду с внедренными ионами алюминия в поверхностном слое присутству- ют примеси кислорода и углерода, адсорбированные на поверхности из остаточной атмосферы вакуумной системы и перемешанные ионным пучком с атомами мишени (рис. 2). Максимальная концентрация кисло- рода (50 ат. %) наблюдается на самой поверхности ма- териалов и в поверхностном слое толщиной не более 50 нм. Как и в случае концентрационных профилей алюминия, в титане с уменьшением размера зерна происходит размытие профилей внедренной приме- си кислорода. Концентрация углерода не превышает 10 ат. % на глубине 30 нм от облученной поверхности. Наличие в поверхностном слое титана атомов алю- миния, кислорода и углерода приводит к модификации структурно-фазового состояния имплантированных материалов. На рис. 4 и 5 представлены ПЭМ изо- бражения титановых материалов после имплантации. Для всех титановых материалов наблюдается при- сутствие твердого раствора алюминия до 15 ат. % Al с параметрами решетки а = 0,2914 нм; с = 0,4658 нм и небольшого количества включений оксидов титана и алюминия в теле зерна подложки. После имплантации также наблюдается (рис. 4, 5) формирование и выде- ление вторичных фаз оксидов и карбидов алюминия и титана в областях, прилежащих к границам зерен (рис. 4). С ростом размера зерна наблюдается увели- чение доли оксидов, формирующихся в объеме зерна титановой матрицы на дислокациях. На рис. 6 представлены результаты исследования микротвердости титана с различным размером зерна до и после ионной имплантации. Для титана в нано- структурном состоянии наблюдается существенное увеличение микротвердости (в два раза) в сравнении с другими образцами титана. Титановые материа- лы с мелкозернистом состоянии и в (мезо)поликри- сталлическом состояниях имеют близкие значения микротвердости. Известно, что повышение предела текучести и прочности металлических материалов основано на соотношении Холла–Петча [8, 9]. Для титана до ионной имплантации соотношение Холла– Петча выполняется. По экспериментальным данным был определен коэффициент Холла–Петча, составив- ший 0,4 МПа ⋅ м 1/2 [3]. Значение коэффициента оказа- лось несколько выше по сравнению с имеющимися в литературе данными, что обусловлено более суще- ственной зависимостью микротвердости от размера зерна для изученных материалов. После имплантации ионами алюминия наблю- дается увеличение микротвердости во всем интер- Рис. 4 . ПЭМизображения микроструктурыповерхностных ионно-легированных алюминием слоев титана в ультра- мелкозернистом ( d ср = 1,4 мкм) состоянии: а и в – светлополь- ные изображения; б и г – микродифракционные картины Рис. 5 . ПЭМизображения микроструктурыповерхностных ионно-легированных алюминием слоев титана в крупно- кристаллическом ( d ср = 15 мкм) состоянии: а и в – светлополь- ные изображения; б и г микродифракционные картины Рис. 6. Микротвердость титановых материалов: а – Ti, d ср = 0,08 мкм; б – Ti, d ср = 1,4 мкм; в – Ti, d ср = 15 мкм; г – Ti, d ср = 38 мкм по глубине поверхностного слоя (y). { – исходный титан; „ – титан, имплантированный ионами алюминия с дозой облучения 5 ⋅ 10 17 ион/см 2