Способ упрочнения наноструктурного слоя металла путем ионной имлантации ультразвуковым воздействием

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения прочностных характеристик материала. Способ упрочнения наноструктурного слоя металла включает ионную имплантацию облучением с дозой 1018 ион/см2 полиэнергетическими ионами с энергией 15-60 кэВ, после ионной имплантации осуществляют ультразвуковую обработку поверхности металла с частотой 10 МГц, амплитудой деформации 10-5 и временем обработки 104 с. Обеспечивается повышение эксплуатационных характеристик и упрочнение металла, увеличение модуля упругости наноструктурного слоя металла. 4 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения прочностных характеристик материала.

Известны методы ионной имплантации [1-3], которые являются одними из эффективных методов модификации механических свойств металлов и сплавов. Применение этих методов приводит к образованию наноструктурного слоя (НС), насыщенного имплантированными ионами и радиационными дефектами, сопровождается закреплением дислокаций, что, с одной стороны, повышает уровень напряжений, необходимых для активации дислокационных источников вблизи поверхности материала, а с другой - препятствует выходу на поверхность дислокаций, образованных в объёме материала. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ ионной имплантации, описанный в [4]. В результате ионной имплантации материал упрочняется. Недостатком приведенных методов является неоднородное закрепление дислокаций в НС, чему способствуют локальные скопления имплантированной примеси и радиационных дефектов, что может существенно ограничить прочностные характеристики материала.

Целью данной работы является исследование возможности увеличения модуля упругости НС за счёт акустостимулированной диффузии локальных скоплений имплантированных ионов, сопровождающейся увеличением числа закреплённых дислокаций в объёме НС.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных характеристик и упрочнение металла, увеличение модуля упругости наноструктурного слоя металла.

Для достижения технического результата предлагается способ упрочнения наноструктурного слоя металла, включающий ионную имплантацию облучением с дозой 1018 ион/см2 полиэнергетическими ионами с энергией 15ч60 кэВ, отличающийся тем, что далее осуществляют ультразвуковую обработку поверхности металла с частотой 10 МГц, амплитудой деформации 10-5, временем обработки 104 с, при этом среднюю скорость диссипации энергии ультразвуковой волны описывают формулой:

,

где - коэффициент затухания ультразвуковой волны [5],

где - скорость ультразвуковой волны в металле; , причем диффузия в поле ультразвуковой волны происходит в соответствии с обычным законом её тепловой активации, добавочное число перескоков , которое может быть совершено атомом в примесном скоплении за период ультразвуковой волны описывают формулой:

,

где - частотный фактор; , - температура материала в начальный момент времени; - постоянная Больцмана; - распределение температуры в НС; - энергия активации диффузии, причем коэффициент диффузии определяют темпом диссипации энергии , а также числом добавочных за период ультразвуковой волны перескоков определяют формулой:

,

или ,

где - плотность энергии ультразвуковой волны; - амплитуда деформации, в процессе ультразвуковой обработки изменение длины дислокационной петли описывают формулой:

,

где - исходная длина петли в момент времени ; - относительная концентрация диффундирующей примеси из локального скопления, функция описывает изменение во времени числа точек закрепления, добавленных к некоторой петле длиной .

Образование наноструктурного слоя блокирует выход на поверхность металла дислокаций и способствует их закреплению за счёт высокой концентрации имплантированных ионов и радиационных дефектов. В результате после ионной имплантации материал упрочняется. Однако локальные скопления имплантированной примеси способствуют неоднородному закреплению дислокаций в НС, что может существенно ограничить прочностные характеристики материала.Дислокационный механизм затухания ультразвуковой волны рассмотрен в рамках модели Гранато и Люкке [5].

В поверхностном слое металла до ионной имплантации имеется дислокационная сетка, состоящая из краевых дислокаций. При этом длина дислокационной петли определяется пересечением дислокаций. Расстояния между точками пересечения определяют петли длиной . В процессе ионной имплантации имеет место закрепление дислокаций точечными дефектами и ионами, которое определяет длину петли , меньшую, чем длина петли между точками дислокационных пересечений . Согласно модели Гранато и Люкке [5], рассматривается дислокационный механизм затухания ультразвуковой волны, в результате которого в локальной области НС, где дислокации не закреплены примесными атомами, либо частично закреплены, имеет место диссипация энергии ультразвуковой волны, средняя скорость которой определяется как

, (1)

где - коэффициент затухания ультразвуковой волны [5],

где - скорость ультразвуковой волны в металле; ;

- модуль упругости; - коэффициент Пуассона; - величина вектора Бюргерса дислокации; - плотность дислокаций; - длина дислокационной петли; - частота ультразвуковой волны; ; ; - плотность материала; , - сила торможения, отнесённая к единице длины дислокации и к единице скорости.

Предполагается, что процесс диссипации энергии ультразвуковой волной может служить причиной диффузионного расплывания примесных скоплений, что может сопровождаться более равномерным распределением примеси по объёму НС и соответствующим увеличением числа закреплённых дислокаций, а также дальнейшим уменьшением средней длины дислокационной петли. Будем считать, что диффузия в поле ультразвуковой волны происходит в соответствии с обычным законом её тепловой активации, тогда добавочное число перескоков , которое может быть совершено атомом в примесном скоплении за период ультразвуковой волны определится как

, (3)

где - частотный фактор; , - температура материала в начальный момент времени; - постоянная Больцмана; - распределение температуры в НС; - энергия активации диффузии.

Коэффициент диффузии при этом будет определяться темпом диссипации энергии , а также числом добавочных за период ультразвуковой волны перескоков :

, (4)

, (5)

где - плотность энергии ультразвуковой волны; - амплитуда деформации.

Рассмотривают диффузионное расплывание локального скопления примеси из НС толщиной (ось OX направлена от поверхности НС в объём тела) с отражающей границей (окисная плёнка на поверхности НС). Под отражающей следует понимать границу , через которую отсутствует поток вещества:

. (6)

Уравнение диффузии и начальные условия имеют вид, соответственно

(7)

(8)

где ; - концентрация имплантированных ионов в локальном скоплении в начальный момент времени; наличие в НС локального скопления примеси с центром в точке моделируется дельта-функцией Дирака .

Решение уравнения (7) с краевыми условиями (6) и (8) имеет вид:

, (9)

где ; ; .

В процессе ультразвуковой обработки длина дислокационной петли меняется с течением времени как

, (10)

где - исходная длина петли в момент времени ; - относительная концентрация диффундирующей примеси из локального скопления, функция описывает изменение во времени числа точек закрепления, добавленных к некоторой петле длиной , и определяется формулой (9).

На фиг. 1 приведен конкретный пример реализации предлагаемого способа, где схематически показан НС с локальным примесным скоплением с центром в точке a0 и локальным распределением температуры с центром в точке a0'. Ломаными линиями с точками изображены закреплённые примесями отрезки дислокационных линий.

Уравнения теплопроводности для случая внутреннего источника тепла в НС, моделируемого функцией вида , где - мощность мгновенного точечного источника, расположенного в точке и «срабатывающего» в момент времени будет иметь вид:

,

с граничным и начальным условиями

где - заданная функция времени.

Решение уравнения (1) с краевыми условиями (2) имеет вид:

(3)

где , , - неполная гамма-функция [6]; с – удельная теплоёмкость материала; - коэффициент температуропроводности; - плотность материала.

Изменение модуля упругости НС определяют как

,

где ; - модуль упругости в начальный момент времени.

С учётом выражения ,

где ; ; .

получают

.

На фиг. 2 представлена рассчитанная по формуле зависимость коэффициента акустостимулированной диффузии от параметра для различных значений плотности дислокаций в НС Λ. Можно видеть, что величина возрастает с ростом плотности дислокаций. Это связано с тем, что коэффициент затухания ультразвука пропорционален Λ [5] и, соответственно, возрастает средняя скорость диссипации энергии в области НС с частично закреплёнными дислокациями. Видно также, что нелинейно зависит от плотности энергии ультразвуковой волны.

Зависимость коэффициента акустостимулированной диффузии DSac от параметра при a0´ = 0.25; x´ = 0.25, Eа = 1 эВ для различных значений плотности дислокаций в НС Λ: 1 – Λ = 1015; 2 – Λ = 1016.

На фиг. 3 представлена зависимость числа дополнительных активационных перескоков атомов из примесного скопления в поле ультразвуковой волны от параметра для различных значений энергии активации диффузии Ea. Из рис. 3 видно, что с ростом плотности энергии ультразвуковой волны W величина уменьшается с увеличением энергии активации диффузии (сравн. кривые 1 и 2 на фиг. 3). Видно также, что для энергии активации диффузии Ea =1 эВ величина , это означает, что один активационный перескок примесного атома приходится примерно на 102 периодов ультразвуковой волны. Зависимость числа дополнительных активационных перескоков атомов из примесного скопления в поле ультразвуковой волны от параметра для различных значений энергии активации диффузии Ea , эВ: 1 – 1; 2 – 2. a0´ = x´ = 0.5.

На фиг. 4 представлено распределение примеси (в относительных единицах) при акустостимулированной диффузии в НС с отражающей границей.

Распределение примеси при диффузии в полуограниченное тело с отражающей границей из примесного скопления в НС для различных значений величины : 1 – 10-8; 2 – 10-6; 3 – 10-4; для а0 = 0; l = 300 нм.

Как видно из фиг. 4, в поле ультразвуковой волны имеет место диффузионное расплывание примесного скопления в НС, что может сопровождаться увеличением числа точек закрепления дислокаций и, как следствие, ростом модуля упругости НС. Оценка величины изменения модуля упругости НС при даёт примерно 20%, что позволяет считать методы акустостимулированных процессов весьма эффективными для управления механическими свойствами ионно-имплантированных НС.

Проведенные испытания показали влияние ультразвуковой обработки НС металла на процесс диффузионного расплывания примесных скоплений, сформировавшихся при ионной имплантации. Показано, что данный процесс сопровождается закреплением дислокаций и, соответственно, увеличением модуля упругости НС примерно на 20%.

Показано, что коэффициент диффузии имплантированной примеси нелинейно зависит от плотности энергии ультразвуковой волны и существенно возрастает с ростом плотности дислокаций в тех областях НС, где закрепление дислокаций отсутствует. Получена оценка числа дополнительных активационных перескоков имплантированной примеси в поле ультразвуковой волны, которая составила 10-2, т.е. один активационный перескок примесного атома приходится примерно на 102 периодов ультразвуковой волны. Установлено, что величина добавочных активационных перескоков является нелинейной функцией плотности энергии ультразвуковой волны W и с ростом последней возрастает примерно как . Показано, что диффузионное расплывание локальных скоплений имплантированной примеси в ультразвуковом поле приводит к росту модуля упругости НС примерно на 20% за счёт увеличения числа закреплённых дислокаций, что сопровождается упрочнением материала.

В ионно-имплантированных НС существуют дополнительные степени свободы для управления их механическими свойствами за счёт увеличения числа закреплённых дислокаций в условиях акустостимулированного расплывания локальных скоплений имплантированной примеси и точечных дефектов.

Источники информации

1. Юров В.М. Влияние ионного облучения на свойства наноструктурных покрытий Zn-Al и Fe-Al / В.М. Юров, Е.Н. Вертягина, С.А. Гученко, Е. Хуанбай // Современные наукоёмкие технологии. – 2011. - №5. – С. 63-68.

2. Белоус В.А. Влияние ионного облучения на ползучесть и твердость поверхности сплава Zr1Nb / В.А. Белоус, Е.В Карасева, Г.И. Носов, В.И. Соколенко и др. // Вестник ТГУ. – 2010. - Т. 15. – Вып. 3. – С. 910-911.

3. Овчинников И.И. Влияние радиационных сред на механические характеристики материалов и поведение конструкций / И.И. Овчинников, И.Г. Овчинников, М.Ю. Богина, А.В. Матора // Интернет-журнал «Науковедение». – 2012. - №4. – С. 1-39. – URL: https://naukovedenie.ru/PDF/110tvn412.pdf.

4. Белоус В.А. Изменение твёрдости и модуля упругости поверхности сплава Э110 после облучения ионами металлов / В.А. Белоус, Г.И. Носов, В.М. Хороших, О.В. Бородин и др. // ФIП ФИП PSE. – 2010. – Т. 8. - № 2. – Vol. 8. – No. 2. – С. 138-142.

5. Труэлл Р. Ультразвуковые методы в физике твёрдого тела / Р.Труэлл, Ч. Эльбаум, Б. Чик. – М.: Мир, 1972. – 307 с.

6. Бейтмен Г. Высшие трансцендентные функции. Т.2 / Г. Бейтмен, А. Эрдейи. – М.: Наука, 1974. – 295 с.

Способ упрочнения наноструктурного слоя металла, включающий ионную имплантацию облучением с дозой 1018 ион/см2 полиэнергетическими ионами с энергией 15-60 кэВ, отличающийся тем, что после ионной имплантации осуществляют ультразвуковую обработку поверхности металла с частотой 10 МГц, амплитудой деформации 10-5 и временем обработки 104 с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к упрочнению стали и может быть использовано в сельскохозяйственном машиностроении для повышения износостойкости лезвий почвообрабатывающих орудий.
Изобретение относится к области получения защитного покрытия, предохраняющего от воздействия агрессивных сред поверхности деталей проточной части турбин турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), выполненных из никелевых сплавов и имеющих сложную конфигурацию.

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу нанесения антиадгезивного, биосовместимого бактерицидного покрытия на устройства и инструменты для остеосинтеза, ортопедические имплантаты из металла, в том числе из титана и нержавеющей стали, включающему осаждение в герметичной предварительно вакуумированной камере на предварительно очищенное покрываемое устройство углеродного материала и серебра, входящих в материал покрытия, отличающийся тем, что осуществляют испарение осаждаемого материала импульсным дуговым разрядом, сформированным между катодом из графита, в качестве которого используют катод из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, причем импульсный дуговой разряд формируют с частотой следования импульсов 1-5 Гц и с длительностью импульса 200-600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·1012-1·1013 см-3 и включенных в этот поток атомов серебра, при этом проводят стимуляцию углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, который направляют перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-2-1·10-4 Па, осаждая на покрываемые устройства биосовместимое бактерицидное покрытие в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1.

Изобретение предназначено для нанесения износостойких покрытий на рабочую поверхность почворежущих деталей почвообрабатывающих машин с использованием сварки плавлением.

Изобретение относится к частицам диоксида кремния типа «ядро-оболочка», содержащимся в композиции по уходу за полостью рта, которая используется в производстве лекарственного средства для уменьшения количества или устранения бактерий в полости рта пациента, нуждающегося в этом.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению покрытий из сплавов цветных металлов плавлением. Способ получения многокомпонентных покрытий из цветных металлов включает переплав исходных металлических материалов на подложке электрической дугой с нерасходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере инертного газа, причем исходные металлические материалы используют в виде заготовок из скрученных проволок, пакета пластин или смеси порошков, приготовленных из Al, Ti, Ni, Cr, Fe, Mo, Mn, Cu, Zn, W, Nb, Zr, Та или их сплавов, а переплав осуществляют в импульсном режиме, обеспечивающем динамический режим горения электрической дуги, с амплитудой импульсов тока 100-400 А, длительностью импульсов 20-500 мкс, частотой следования импульсов 200-5000 Гц, дежурным током на интервале между импульсами 12-50 А, при перемещении подложки относительно электрода.

Изобретение относится к способу изготовления плоской заготовки для режущего инструмента, в частности заготовки как исходного элемента для изготовления пильного полотна, пильной ленты, режущей линейки, штамповочного ножа или лезвия.

Изобретение относится к двухсплавной лопатке для газовой турбины, а именно к лопатке, имеющей по меньшей мере две части поверхности с разным составом. Лопатка (51) для ротора (35) газовой турбины (28, 30), содержащая литую подложку (70), включает хвостовик (55) для соединения лопатки (51) с ротором (35) газовой турбины (28, 30), платформу (54), имеющую нижнюю поверхность (61), из которой выступает хвостовик (55), и верхнюю поверхность (62), противоположную нижней поверхности (61), аэродинамический профиль (56), выступающий из верхней поверхности (62) платформы (54), противокоррозионный слой (71) сплава лопатки с высоким содержанием Cr, составляющим 15-23%, над подложкой (70), добавленный с помощью аддитивной технологии изготовления на нижнюю поверхность (61) и на хвостовик (55).

Изобретение относится к панели для транспортного средства, включающей стальной лист с покрытием, местами укрепленный, способу изготовления панели и использованию панели и может быть использовано для производства частей автомобильных транспортных средств.
Изобретение относится к области сварки и наплавки и может быть использовано при ремонте изношенных или поврежденных бандажных полок лопаток турбомашин, выполненных из жаропрочных никелевых сплавов.
Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта бадана характеризуется тем, что сухой экстракт бадана добавляют в суспензию каппа-каррагинана в петролейном эфире в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 800 об/мин, далее приливают 7 мл фторбензола, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро : оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.
Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта муира пуамы характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используют альгинат натрия, в качестве ядра - сухой экстракт муиры пуамы, при этом сухой экстракт муиры пуамы добавляют в суспензию альгината натрия в этаноле в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 900 об/мин, далее приливают хладон-112, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро:оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.
Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта муира пуамы характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используют гуаровую камедь, в качестве ядра - сухой экстракт муиры пуамы, при этом сухой экстракт муиры пуамы добавляют в суспензию гуаровой камеди в этаноле в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 900 об/мин, далее приливают фторбензол, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро : оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.
Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины, ветеринарии и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул витамина В4 в гуаровой камеди характеризуется тем, что в качестве оболочки используется гуаровая камедь, а в качестве ядра - витамин В4, при массовом соотношении ядро : оболочка 1:3, или 1:1, или 1:2 при этом витамин добавляют в суспензию гуаровой камеди в этаноле в присутствии препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 800 об/мин, далее добавляют циклогексан, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.
Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта золотарника характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используют альгинат натрия, а в качестве ядра - сухой экстракт золотарника, при этом сухой экстракт золотарника добавляют в суспензию альгината натрия в циклогексане в присутствии 0,01 г Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 900 об/мин, далее приливают 8 мл хладона-113, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро : оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.

Изобретение предназначено для химической и металлургической промышленности и может быть использовано при изготовлении подшипников, уплотнений и облицовочных плит.

Изобретение относится к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, содержащих редкоземельные элементы, которые могут быть применены в технологии синтеза оптических керамических материалов лазерного качества при создании активных тел твердотельных лазеров различной геометрии.
Изобретение относится к катализаторам, используемым в процессах гидропереработки тяжелого нефтяного сырья и остатков. Катализатор защитного слоя для переработки тяжелого нефтяного сырья, содержащий активный компонент и носитель, в качестве носителя содержит оксид алюминия, а в качестве активного компонента соединения кальция и/или магния, содержание кальция составляет не более 10 мас.%, магния - не более 10 мас.%, катализатор имеет макропоры, образующие регулярную пространственную структуру, причем доля макропор с размером в диапазоне от 50 нм до 15 мкм составляет не менее 30% в общем удельном объеме пор, катализатор имеет удельную поверхность не менее 100 м2/г с долей внешней поверхности не менее 50% и удельным объемом пор не менее 0,1 см3/г.

Изобретение относится к оптике, а именно к способам изготовления устройств, служащих для анализа химических веществ при использовании эффекта поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света молекулами, находящимися вблизи наноструктур из серебра, проявляющих плазмонный резонанс электронов проводимости, колебания которых создает локальное электромагнитное поле.

Изобретение относится к композиционным материалам (КМ) на основе высокомолекулярных соединений и к способу его получения. Предложен способ получения КМ на основе СВМПЭ полимеризацией этилена на поверхности частиц наполнителя в присутствии иммобилизованного на них катализатора, состоящего из соединения переходного металла VCl4 и алюминийорганического соединения Al(i-Bu)3.

Группа изобретений относится к получению металлического порошка. Способ включает электрический взрыв металлической проволоки во взрывной камере с принудительной циркуляцией азота в качестве рабочего газа. Электрический взрыв проволоки проводят при величине энергии, введенной в проволоку, в интервале от 0,6 до 0,9 энергии сублимации металла проволоки и постоянном охлаждении рабочего газа в камере до температуры не более 40°С путем непрерывной подачи жидкого азота, при этом давление во взрывной камере поддерживают не более 0,85 атм. Устройство содержит взрывную камеру, механизм подачи проволоки, установленные в камере и подключенные к источнику питания высоковольтный электрод и заземленный электрод для электрического взрыва проволоки с получением частиц порошка, систему сепарации частиц порошка по размерам, связанную с камерой посредством трубопровода, оснащенного вентилятором и выполненного с возможностью принудительной циркуляции азота в качестве рабочего газа в камере, и средства контроля давления рабочего газа в камере. Высоковольтный электрод выполнен с возможностью подачи через него в камеру жидкого азота для охлаждения рабочего газа. Обеспечивается предотвращение спекания частиц порошка. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 6 пр.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения прочностных характеристик материала. Способ упрочнения наноструктурного слоя металла включает ионную имплантацию облучением с дозой 1018 ионсм2 полиэнергетическими ионами с энергией 15-60 кэВ, после ионной имплантации осуществляют ультразвуковую обработку поверхности металла с частотой 10 МГц, амплитудой деформации 10-5 и временем обработки 104 с. Обеспечивается повышение эксплуатационных характеристик и упрочнение металла, увеличение модуля упругости наноструктурного слоя металла. 4 ил.

Наверх