Влияние ионного перемешивания на структуру и свойства поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 при имплантации ионами меди и серебра

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические основы ионно-лучевого перемешивания и обзор литературы

1.1. Физическая сущность ионного перемешивания (каскады атомных соударений, радиационно-стимулированная диффузия, роль точечных дефектов и вакансионных кластеров).

1.2. Особенности строения и фазовых превращений в сплаве ВТ6 (Ti-6Al-4V) при ионном облучении.

1.3. Влияние имплантации ионов меди и серебра на структуру и свойства титановых сплавов (формирование интерметаллидов, антибактериальный эффект, изменение коррозионной и трибологической стойкости).

1.4. Современные методы диагностики модифицированных поверхностных слоев (РФЭС, рентгеноструктурный анализ, АСМ, наноиндентирование).

Глава 2. Объекты, материалы и методика экспериментального исследования

2.1. Характеристика исходного сплава ВТ6: химический состав, структура, механические свойства. Подготовка поверхности образцов.

2.2. Оборудование и режимы ионной имплантации (энергия ионов, флюенс, плотность ионного тока, температурный контроль).

2.3. Методики структурных исследований (пробоподготовка, условия съемки спектров, обработка данных).

2.4. Методики оценки механических свойств (измерение микротвердости, условия испытаний).

Глава 3. Экспериментальные результаты и их анализ

3.1. Изменение элементного и фазового состава — взаимопроникновение атомов имплантируемых элементов и подложки, распределение Cu и Ag по глубине, образование интерметаллидных фаз и твёрдых растворов.

3.2. Трансформация атомной структуры — формирование разупорядоченных состояний, увеличение плотности дислокаций, изменение области когерентного рассеяния, зависимость от дозы облучения.

3.3. Эволюция морфологии поверхности — изменение шероховатости (снижение Ra) и сглаживание рельефа, связь с параметрами ионного облучения.

3.4. Механические свойства модифицированного слоя — изменение микротвердости, связь упрочнения со структурно-фазовыми превращениями.

Глава 4. Обсуждение полученных результатов

4.1. Взаимосвязь структурных изменений и механических свойств поверхностного слоя.

4.2. Сравнительный анализ эффективности имплантации ионов меди и серебра: общность и различия в воздействии на структуру и свойства ВТ6.

4.3. Сопоставление полученных данных с результатами других исследователей.

4.4. Предполагаемые физические механизмы наблюдаемых эффектов.

Глава 5. Практические аспекты применения результатов

5.1. Перспективы использования модифицированного сплава ВТ6 в медицинском имплантологии (антибактериальные покрытия, биосовместимость).

5.2. Возможности повышения эксплуатационных характеристик деталей авиационного и космического назначения (износостойкость, коррозионная стойкость).

5.3. Рекомендации по выбору оптимальных режимов ионной имплантации для достижения заданных свойств.

Заключение

Список использованной литературы

ВЛИЯНИЕ ИОННОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНАМИ МЕДИ И СЕРЕБРА

Курсовая работа

Направление: Технологии материалов Специальность: 22.02.07 — Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность настоящего исследования обусловлена стратегической значимостью титановых сплавов для отечественного машиностроения, авиакосмической промышленности и медицинской отрасли. Титановый сплав ВТ6 (аналог зарубежного Ti-6Al-4V) остается одним из наиболее востребованных конструкционных материалов благодаря сочетанию высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости. Вместе с тем эксплуатационный ресурс изделий из ВТ6 в значительной степени определяется состоянием поверхностного слоя, поскольку именно поверхность воспринимает первичный контакт с агрессивной средой, испытывает трибологические нагрузки и является зоной зарождения усталостных трещин. В условиях реализации государственной политики технологического суверенитета и импортозамещения в области производства высокотехнологичной металлопродукции особую значимость приобретают методы поверхностной инженерии, не требующие изменения объемных свойств заготовки, но обеспечивающие целевую функционализацию поверхности [1, c. 24].

Ионная имплантация и связанное с ней явление ионного (каскадного) перемешивания представляют собой одну из наиболее гибких технологий модификации поверхности, позволяющую вводить в приповерхностный слой атомы легирующих элементов без изменения макрогеометрии детали и без образования переходной границы раздела «покрытие — подложка», характерной для традиционных методов нанесения покрытий (PVD, CVD, термическое напыление). Имплантация ионов меди и серебра в сплав ВТ6 представляет особый интерес по двум основным направлениям: во-первых, формирование антибактериального эффекта поверхности за счет ионов Ag+ и Cu2+ открывает перспективы применения модифицированного сплава в медицинском имплантологическом производстве; во-вторых, изменение структурно-фазового состояния приповерхностного слоя за счет радиационно-стимулированной диффузии и образования интерметаллидных фаз системы Ti-Cu и Ti-Ag способно существенно повысить микротвердость, износостойкость и коррозионную устойчивость деталей авиационного и энергетического назначения [2, c. 45].

Степень разработанности проблемы в отечественной научно-технической литературе достаточно высока в части общих закономерностей ионно-лучевой модификации металлов и сплавов, чему посвящены фундаментальные работы научных школ ИФПМ СО РАН, НИТУ МИСиС, ИМет РАН, ВИАМ и Томского политехнического университета. Тем не менее вопросы количественного описания процессов ионного перемешивания именно в двухфазном (α+β) титановом сплаве ВТ6 при совместном или последовательном облучении ионами меди и серебра, а также взаимосвязи параметров имплантации (энергия, флюенс, плотность ионного тока) с формируемой структурой и комплексом функциональных свойств поверхности остаются недостаточно систематизированными, что определяет научную значимость настоящей курсовой работы.

Развитие ионно-лучевых технологий в России тесно связано с наличием специализированной приборной базы — ускорителей ионов, имплантеров и вакуумно-дуговых источников металлической плазмы, которыми оснащены центры коллективного пользования при ИФПМ СО РАН (г. Томск), НИИЯФ МГУ, а также лаборатории ионно-плазменных технологий НИТУ МИСиС. Именно на базе такой лабораторной установки ионной имплантации проведен модельный эксперимент, результаты которого анализируются в рамках данной курсовой работы, что позволяет говорить о практической применимости полученных выводов для реального технологического процесса поверхностного модифицирования металлических изделий [3, c. 112].

Целью курсовой работы является исследование закономерностей влияния ионного перемешивания на структурно-фазовое состояние, морфологию и механические свойства поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 при имплантации ионами меди и серебра для обоснования оптимальных технологических режимов модификации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• изучить физическую сущность процессов ионного перемешивания и радиационно-стимулированной диффузии в металлических материалах;
• проанализировать особенности структуры и фазовых превращений сплава ВТ6 при ионном облучении и специфику воздействия ионов меди и серебра на титановую матрицу;
• провести экспериментальное исследование элементного, фазового состава, атомной структуры, морфологии поверхности и микротвердости образцов ВТ6 после имплантации ионами Cu и Ag при различных режимах облучения;
• выполнить сравнительный анализ эффективности имплантации ионами меди и серебра, сопоставить полученные данные с результатами других исследователей;
• разработать практические рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов ионной имплантации для получения заданного комплекса свойств поверхности в целях медицинского и авиационно-космического применения.

Объектом исследования являются образцы титанового сплава ВТ6, подвергнутые ионной имплантации на лабораторной вакуумно-дуговой установке ионно-плазменных технологий, оснащенной источниками металлической плазмы для генерации ионов меди и серебра. Предметом исследования являются закономерности изменения структуры, фазового состава, морфологии поверхности и микротвердости приповерхностного слоя сплава ВТ6 в результате процессов ионного перемешивания при различных дозах и энергиях имплантации.

Методологическую базу работы составили общенаучные методы анализа и синтеза научно-технической литературы, а также комплекс экспериментальных методов диагностики модифицированных поверхностей: рентгенофотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), рентгеноструктурный анализ (РСА) методом дифрактометрии в геометрии скользящего пучка, атомно-силовая микроскопия (АСМ), наноиндентирование и микротвердометрия по методу Виккерса. Нормативной базой исследования посл

…