Применение пучков заряженных частиц для модификации поверхности материалов

Использование технологий радиационной обработки материалов в промышленности обеспечивает существенный экономический эффект, и с каждым годом сфера применения электронных и ионных пучков для обработки материалов расширяется [⁷⁶].

Когда рассматривается улучшение сплава и управление его свойствами с помощью изменения состава и микроструктуры, следует иметь в виду не только процесс выделения вторых фаз из твердого раствора. Возможно например, каскадное растворение и перерождение выделений. Стимулированная сегрегация может оказывать значительное влияние и на процесс перерождения. Есть данные, что плотность числа выделений, распределение по размерам, объемная доля выделений и размерное несоответствие могут изменяться в процессе облучения. Это, в частности, может быть важным для сплавов, выделения в которых являются критической характеристикой. К такому явлению, например, относятся изменения концентрации -выделений и распределения по размерам при облучении -упрочняемых сплавов на никелевой основе [⁷⁷], а также растворение карбидов TiC в стабилизированных аустенитных нержавеющих сталях, облученных при температурах ниже 500С. Радиационно-стимулированная сегрегация у межфазных границ и границ зерен, а также у пор, может иметь значительные последствия, даже если вторая фаза и не образуется. Сегрегация к границам зерен и межфазным границам влияет на процессы пластичности и разрушения [⁷⁸, ⁷⁹].

Воздействие пучками заряженных частиц приводит к значительным изменениям их структуры и свойств сталей. Как правило, в низколегированных доэвтектоидных сталях происходит существенное измельчение зерен в поверхностных слоях и увеличение твердости. В заэвтектоидных сталях при обработке с оплавлением поверхности образуется большое количество остаточного аустенита, и возникают сложные по профилю внутренние напряжения, величина которых сравнима с прочностью поверхностного слоя. Последнее ограничивает применение пучков заряженных частиц для повышения служебных характеристик изделий из заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей [⁸⁰].

В [⁸¹] исследовано влияние режимов облучения низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком микросекундной длительности на химический состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев образцов из титановых сплавов. Показано, что с помощью такой обработки удается очистить поверхность от примесей кислорода и углерода, повысить однородность распределения элементов по толщине поверхностного слоя, снизить шероховатость поверхности до 0,05-0,07 мкм, изменить фазовый состав и структуру материала в поверхностном слое толщиной более ~10 мкм (от глобулярной до столбчатой в зависимости от плотности энергии и числа импульсов).

Одним из перспективных методов модификации поверхности является облучение пучками ионов, которые в кристаллической решетке металла являются малоразмерными примесями. Этот способ позволяет существенно повысить твердость поверхностного слоя металла [⁸²], при этом процессы, происходящие при радиационной обработке аналогичны процессам поверхностного легирования, но с некоторыми отличиями: при облучении возможно образование радиационно-стимулированных соединений, которые не образуются при термической обработке и процесс легирования поверхности происходит значительно быстрее.

В последние годы активно проводятся исследования и по воздействию облучения на полупроводниковые материалы. В работе [⁸³] приведены данные переходных фототоков электронов и дырок в отожженных и облученных светом ВЧ-пленках AsSe. После облучения величина фототоков, соответствующая дрейфу электронов дырок, существенно уменьшается, а время пролета увеличивается в 3-4 раза. При этом время пролета электронов увеличивается несколько больше. Отжиг облученных образцов приводит к восстановлению первоначального значения времени пролета и амплитуды значений переходных фототоков электронов и дырок. В свою очередь, степень перестройки структуры ТИ- и ВЧ- пленок при облучении зависит от технологии получения этих пленок и обуславливает фотоиндуцированные изменения всего энергетического спектра электронных состояний, включая изменения в спектре локализованных состояний.

Для кремневых p⁺ – n – n⁺ - структур существует определенный интервал интенсивности электронного облучения, при котором эффективность образования радиационных дефектов остается постоянной. Последнее определяется природой и типом образующихся комплексов. Можно предложить оптимальные условия введения рекомбинационных центров радиационных дефектов и повышения стабильности характеристик кремниевых структур, которые заключаются в проведении облучения электронами при Т_обл~400° С, интенсивностью 10¹² см^-2·с^-1, флюенсами 10¹⁵-10¹⁶ см^-2 [⁸⁴].

Исследования проводились и на порошковых материалах. Исходным материалом в этом эксперименте являлись соли и оксиды вольфрама. После обучения на ускорителе электронов порошки прессовались и спекались в среде водорода традиционными способами порошковой металлургии. Применение радиационной обработки порошков позволило получить высококачественный вольфрам с гомогенной структурой, обладающий повышенной прочностью и износостойкостью. Наиболее очевидными и легко обнаружимыми эффектами радиационной обработки порошков являются радиационное растрескивание частиц, приводящее к изменению их среднего размера, и освобождению ряда химических примесей вследствие взрыва химических связей при облучении. Оба эти эффекта, в конечном счете, приводят к улучшению качества материала[⁸⁵].