Ионная имплантация

Сущность 
 Ионная имплантация - это процесс, в котором почти любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела - мишени, помещенной в вакуумную камеру, посредством пучка высокоскоростных ионов с энергией до нескольких мегаэлектронвольт. Имплантируемые ионы внедряются в материал мишени на глубину от 0,01 до 1 мкм, формируя в ней особое структурно-фазовое состояние. Толщина слоя зависит от энергии и от массы ионов и от массы атомов мишени.

Так как технология имплантационного модифицирования позволяет внедрить в поверхность заданное количество практически любого химического элемента на заданную глубину, то тогда можно сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, или легировать одно вещество другим в пропорциях, которые невозможно достичь даже при использовании высоких температур.

Успешное применение ионной имплантации определяется возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования.  

Схема установки

Установка для ионно-лучевой имплантации представляет собой вакуумную камеру, состоящую из ряда блоков, последовательно состыкованных с помощью уплотнений из вакуумной резины. Из источника примесь в парообразном или газообразном виде попадает в разрядный блок (ионизатор), из которого отрицательным потенциалом в 5…25 кВ ионы вытягиваются в магнитный сепаратор (масс-анализатор). Здесь в постоянном магнитном поле происходит разделение траекторий ионов с различным электрическим зарядом так, что в следующий блок проходит моноэнергетический поток ионов. В этом блоке с помощью системы электродов ионному пучку придаётся плоская (ленточная) форма и в следующем блоке (ускорителе) ионы разгоняются до необходимой энергии. В рабочую камеру, таким образом, проходит плоский (ленточный) ионный луч неподвижный в пространстве. 
 Исследователи ионной имплантации декларировали следующий ряд достоинств легирования методом ионной имплантации:

1. Возможность  вводить любую примесь, любой  элемент Таблицы Менделеева.

2. Возможность  легировать любой материал.

3. Возможность  вводить примесь в любой концентрации  независимо от ее растворимости  в материале подложки.

4. Возможность  вводить примесь при любой  температуре подложки, от гелиевых  температур до температуры плавления  включительно.

5. Возможность  работать с легирующими веществами  технической чистоты и даже  с их химическими соединениями (тоже любой чистоты).

6. Изотопная чистота легирующего ионного пучка.

7. Легкость локального  легирования.

8. Малая толщина  легированного слоя (менее микрона).

9. Большие градиенты  концентрации примеси по глубине  слоя, недостижимые при традиционных  методах с неизбежным диффузионным  размыванием границы.

10. Легкость контроля.

11. Совместимость  с планарной технологией микроэлектроники.

Наибольший эффект дает ИИ  химически активных элементов, таких азот, бор, углерод. на следующем рисунке показано насколько кардинальное изменение структуры происходит при ИИ  ( на примере азота поверхность титаного сплава ВТ9 по данным профессора А.М. Смыслова).Его лаборатория находится в 8 корпусе УГАТУ.

Повышение коррозионной стойкости. Повышение антикоррозионных свойств деталей, работающих  в различных агрессивных средах, является актуальной задачей для многих отраслей машиностроения. Небольшие дозы иттрия оказывают сильное влияние на снижение высокотемпературного окисления коррозионностойкой стали; при этом повышаются механические свойства, в частности коррозионная циклическая долговечность.

Представляет значительный интерес имплантационная обработка титана с последующим кратковременным вакуумным отжигом. В результате такой технологии имплантированные стронций и европий диффундируют на глубину более 100 мкм, что обеспечивает стойкость к окислению значительного слоя.

Усталостная прочность.  Трещины усталости, как правило, образуются на поверхности. В связи с этим становится интересным влияние ионного легирования  на усталость металлических материалов.

Например, испытания на изгиб с вращением образцов титанового сплава, имплантированных азотом и углеродом, показали, что больший эффект дает имплантация углерода (десятикратное увеличение живучести по сравнению с неимплантированными образцами) с увеличением предела выносливости на 100МПа.

Повышение износостойкости.

Примеры резкого повышения износостойкости деталей после применения имплантационной технологии:

1. стойкость штампов, изготовленных из легированных кобальтом и вольфрамом сталей и имплантированных ионами азота, повышается в 2…5 раз.

2. резко повышается ресурс эксплуатации прецезионных подшипников навигационного оборудования и турбореактивных двигателей после ионной обработки трущихся поверхностей.

3. резко возрастает (в 3…10 раз) стойкость режущего, волочильного, формующегоинструмента.

Вывод: Проводились испытания упрочненного инструмента , высказывается мнение. что ИИ может являться новым способом улучшения режущего инструмента.  
            Отмечают, что ИИ является более перспективным методом повышения износостойкости инструмента, чем другие ионно-плазменные методы, что метод лишен основного недостатка напыляемых покрытий – отслаивания покрытия в процессе работы. Отмечается повышение стойкости инструмента в 2,5 - 3,5 раза.