稀有金属 2006,(05),582-585+5 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.05.002
钛合金等离子体源离子注入表面改性
晏永华 陈桂容
西南交通大学材料科学与工程学院,西南交通大学材料科学与工程学院,西南交通大学材料科学与工程学院 四川成都610031,四川成都610031,四川成都610031
摘 要:
等离子体源离子注入技术是一种新型的非视线的离子注入材料表面改性技术。为了对该项技术的表面改性效果进行科学的论证, 从而为该项技术的推广提供客观的试验依据, 采用该项技术对Ti6A14V合金进行氮离子注入, 对注入层的成分、组织和性能进行了分析。结果表明:注入层中氮浓度的分布具有类高斯分布特征;在注入层中有TiN和非晶态相形成;注入层的显微硬度和摩擦性能得到了明显的改善。
关键词:
等离子体源离子注入 (PSII) ;表面改性 ;钛合金 ;
中图分类号: TG174
收稿日期: 2005-07-07
基金: 西南交通大学校基金 (2004A01) ;全方位离子注入表面改性; 中国科学院上海微系统与信息技术研究所离子束重点实验室基金 (100027) ;全方位离子束增强沉积陶瓷薄膜研究;
Plasma Source Ion Implantation Surface Modification of Titanium Alloy
Abstract:
Plasma source ion implantation is a new non-line of sight ion implantation technique for surface modification of materials.For proving scientifically the surface modification effect of this technique and so providing the objective test proofs for the popularization of this technique.This technique was used for modification of Ti6Al4V alloy with nitrogen ions.The concentration, microstructure and properties of the implanted layer were analyzed.The results show that the distribution of the nitrogen concentration in the implanted layer has the like Gauss, titanium nitride and amorphous phase have formed in the implanted layer, and the microhardness and friction properties are improved obviously.
Keyword:
plasma source ion implantation (PSII) ;surface modification;titanium alloy;
Received: 2005-07-07
离子注入能显著提高材料的耐磨性和抗蚀性
[1 ,2 ]
。但是, 传统的离子注入技术只能进行“视线注入”, 即只能注入暴露在离子枪口下的工作表面。对于工作中的凹面和内圆表面则不能被注入, 并且, 只能进行单件注入, 再加上设备复杂、昂贵, 注入加工成本较高, 从而使传统的离子注入技术的推广应用受到较大限制, 迄今为止, 主要用于半导体掺杂或少数贵重零件的表面改性上。近几年内, 得到快速发展的一种新型的离子注入技术—等离子体源离子注入 (plasma source ion implantation-PSII) , 从根本上克服了传统离子注入的上述缺点
[3 ,4 ]
, 能同时对成批的工件的各表面进行全方位的离子注入。并且设备和工艺均大为简化, 加工效率高, 可大大降低成本, 是一种很有推广价值的技术。
本文采用该项新技术对用于航空和生物领域内的摩擦件材料Ti6Al4V钛合金进行氮离子注入
[5 ,6 ]
, 在钛合金表面制备一层金黄色的高耐磨TiN硬化层。对TiN硬化层的成分、组织和性能进行实验研究。
1 实验
1.1 PSII工艺
PSII氮离子注入在PSII-EX型注入机上进行。将打磨抛光到表面粗糙度Ra 为0.2μm的试样放入真空室的样品台上, 抽真空至1×10-5 Pa, 通入氮气后经灯丝热阴极放电将氮气电离成等离子体, 使试样完全浸没在氮元素的等离子体中, 这时, 在试样上加上-60 kV的负偏压脉冲电压, 在样品和真空室壁间的电场作用下 (真空室壁接地, 为正极) , 质量轻的电子迅速冲向真空室壁, 这样, 在试样周围立即形成氮的正离子鞘层, 鞘层中的氮离子在试样与鞘层间的强电场作用下, 全方位地注入到试样的表层。注入时间为2 h, 注入剂量为3×1017 N+ ·cm-2 , 注入能量为60 keV, 注入中试样的温度为200℃。
1.2 注入层的成分和组织分析
用XSAM800型俄歇电子能谱仪分析注入层剖面的氮浓度分布。分别用H700-H型透射电子显微镜 (TEM) 和XS-MA800型X射线电子能谱仪 (XPS) 分析注入层的显微组织。
1.3 注入层的性能分析
用HX-1000型硬度计测定注入层的维氏硬度, 金刚石压头上所加的载荷分别为0.1, 0.25, 0.5, 1.0 N。注入层的摩擦性能在ALEX-1型多功能高精度球-盘式摩擦试验机上进行。摩擦试验方式为室温下的无润滑滑动摩擦, 配磨件为Υ6 mm的SiC圆球, 试验中圆球上所加载荷为2.5 N, 滑动速度为-1 用设备仪表上显示的摩擦系数和摩擦后用读数显微镜测出的磨痕宽度值来表征试样摩擦性能。硬度试验和摩擦试验均是在同样的试验条件下分别在PSII注入前后的试样上进行的。测试前均对设备进行了校正。每一个实验数据为5个试验实测数据的平均值。
1.4 摩擦磨痕的扫描电镜分析
用CASMS-N型扫描电子显微镜 (SEM) 分析了PSII注入前后试样的摩擦试验磨痕的表面形貌, 用以探讨磨损的机制, 为PSII的表面改性效果的分析提供依据。
2 结果与讨论
2.1 注入层的氮浓度
由图1可见, 注入层中氮的剖面浓度呈类高斯分布形态, 这与LSS理论所确定的离子注入元素的分布形态类似
[7 ]
。图中氮的峰值浓度约为54%, 对应的注入深度为49 nm, 可见用PSII技术能够获得表面改性所要求的注入层成分。
2.2 注入层的显微组织
透射电镜 (TEM) 分析表明, 注入层中有细粒状弥散分布的TiN及非晶态相 (图2和3) 。氮的注入使表层中产生大量过饱和氮原子, 在低温下 (被注靶材温度为200℃) 这些氮原子倾向于在位错附近以TiN的形式析出, 与基体保持共格关系, 产生强烈的沉淀硬化。氮离子对表层的高能轰击, 不仅使表层晶粒细化, 产生大量位错, 还打乱了某些区域中原子的规则排列, 形成非晶态相。
图1 Ti6A14V的PSII氮离子注入层的俄歇浓度剖面分布图
Fig.1 Auger concentration (atom fraction) profile of nitrogen ions implanted layers of Ti6A14V by PSII
图4为距PSII处理的试样表面50 nm深度处所探测到的氮元素的X射线电子能谱图 (XPS) , 图中右起第一个较高的结合能峰的结合能值为396.939 eV, 该值与TiN中氮元素的X射线电子的结合能的标准值396.90 eV相吻合。右起第二个较矮的峰经查卡片被判定为因碳氢污染所致的一种C, N, H的有机化合物的光电子结合能峰, 该峰很低, 说明该有机化合物的数量较少。因此, 在注入表层内被注入的氮元素几乎全部以TiN的形式存在。这就定量地进一步证实了注入层中TiN组织的形成。
图2 注入层 (TiN组织) 的TEM显微图像 (a) 和电子衍射图谱 (b)
Fig.2 TEMmicrograph of implanted layers (TiN structure) (a) and electron diffraction pattern of TiN (b)
图3 注入层 (非晶态相) 的TEM显微图像 (a) 和电子衍射像 (b)
Fig.3 TEMmicrograph (a) and electron diffraction image (b) of implanted layers (amorphous phase)
图4 注入层中氮元素的X射线电子能谱图 (XPS)
Fig.4 X-ray photoelectron spectrum (XPS) for N in implanted layer
2.3 注入层的性能
由图5~7可见, 与注入前相比, 注入后试样表层的显微硬度和摩擦性能均获得较大的提高。性能的提高除了与氮注入产生强烈的间隙式固溶强化、辐照损伤强化和高硬度的TiN的沉淀硬化有关外
[8 ]
, 还与非晶态相的出现有关。非晶态相具有优良的强韧性和耐磨性, 非晶态相既没有诱发滑移变形的滑移面, 又没有诱发断裂的解理面和晶界。在摩擦中, 由于非晶态相和与之配磨的晶体材料 (SiC) 的结构差异很大, 彼此间的互溶性差, 不易产生粘着, 明显降低接触表面间的粘着倾向。另外, 氮注入到钛合金基体中所形成的TiN硬化层, 与基体联为一体, 硬化层与基体的结合为冶金结合, 受摩擦时不易产生分层剥离
[9 ]
。
图8表明, 未注入的钛合金的磨损表面的扫描电镜形貌 (SEM) 呈现出严重的粘着磨损的特征, 磨面上有明显的扭曲变形, 出现较多撕裂棱边;注入后钛合金的磨损表面则显得较平整, 仅有一些较浅的平行“犁沟”, 呈现出较轻微的磨粒磨损特征。可见, 氮离子注入使表层的磨损机制由较严重的粘着磨损向轻微的磨粒磨损转化, 明显地改善了钛合金的摩擦性能。
图5 注入前和注入后样品的显微硬度与载荷的关系
Fig.5 Microhardness (HV) vs load of specimens of Ti6A14V be-fore and after implanted
图6 注入前和注入后样品的摩擦系数与转数的关系
Fig.6 Friction coefficient (f) vs number (n) of cycles of speci-mens of Ti6A14V before and after implanted
图7 注入前和注入后样品的磨痕宽度
Fig.7 Width (d) of wearing traces of specimens Ti6A14V before and after implanted
3 结论
钛合金经PSII氮离子注入后, 表层的氮浓度沿深度方向呈高斯分布, 离子注入层中有TiN和非晶态相形成注入表层的硬度和耐磨性明显提高
图8 注入前 (a) 和注入后 (b) 样品的磨损表面的SEM形貌
Fig.8 SEMmorphology of wearing surfaces of specimens of Ti6A14V before (a) and after (b) implanted
致谢:对中国科学院离子束开放研究实验室和西南物理研究院的大力支持, 表示衷心感谢。
参考文献
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