2.1. Низкоэнергетическая ионно-имплантационная обработка
Во многих случаях для получения необходимого профиля распределения легирующей примеси в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с их последующей термической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов.
Общая траектория движения иона называется длиной пробега R, а расстояние, проходимое внедряемым ионом до остановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени, проецированной длиной пробега Rp.
Магнитный масс-спектрометр (2) предназначен для отделения ненужных ионов от легирующих (рис. 2.3), электрометр – для измерения величины имплантированного потока ионов.
Управление дозой при ИИ затруднено рядом факторов: наличие потока нейтральных частиц, обмен энергии ионов с молекулами газов, вторичная электронная эмиссия из мишени, эффект обратного ионного распыления.
Для ликвидации последствий действия этих факторов используют следующие технические приемы. Нейтральные молекулы отсеивают с помощью масс-спектрометра (его магнитным полем не отклоняет нейтральные частицы, и они не попадают в апертурную диафрагму). Кроме того, в камере поддерживается достаточно высокий вакуум, предотвращающий процесс нейтрализации ионов. Вторичную электронную эмиссию подавляют, располагая около мишени ловушку Фарадея.
Рис. 2.3. Схема установки для ионной имплантации:
1 – источник ионов; 2 – масс-спектрометр; 3 – диафрагма; 4 – источник высокого напряжения; 5 – ускоряющая трубка; 6 – линзы; 7 – источник питания линз; 8 – система отклонения луча по вертикали и система отключения луча; 9 – система отклонения луча
по горизонтали; 10 – мишень для поглощения нейтральных частиц; 11 – подложка
Профиль распределения примеси при ионной имплантации бора различных энергий в кремний приведен на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Профиль распределения примеси бора в кремний
при ионной имплантации
Использование метода ионной имплантации осуществлено авторами для разработки ряда технологий защитно-упрочняющей обрабоки (Пат. РФ № 2354521, МПК B23P6/00. Способ восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей / А. М. Смыслов и др., Бюл. № 13, 2009; Пат. РФ № 2354521, МПК C22F1/10. Cпособ ремонта лопаток газовых турбин из никелевых и кобальтовых сплавов / А. М. Смыслов и др., Бюл. № 4, 2009; Пат. РФ № 2385968, МПК C23C14/48. Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя в материале изделий из металлических сплавов / А. М. Смыслов и др., Бюл. № 10, 2010; Пат. РФ № 2420385. Способ восстановления эксплуатационных свойств лопаток из титановых сплавов / М. К. Смыслова и др., Бюл. № 16, 2011 и др.)
Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ) в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость (например, титановые сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТЗ-1, ВТ22 и др.). Указанные сплавы широко применяются, например, для изготовления лопаток турбин, работающих в условиях газоабразивной и влажно-паровой среды, при температурах до 500–540°С. Лопатки турбин из титановых сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе эксплуатации деталей из этих сплавов, вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. Кроме того, при изготовлении или ремонте деталей из титановых сплавов необходимо учитывать ряд таких требований, как повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и др. Возникающий в процессе эксплуатации износ лопаток требует проведения либо их преждевременной замены, либо их восстановительного ремонта. При длительной эксплуатации в поверхностном слое материала лопаток образуются различного рода дефекты и, кроме структурных изменений, происходит ухудшение физико-механических свойств поверхности и основы материала из-за насыщения газами примесями внедрения – кислородом, азотом, углеродом, водородом, которые резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При насыщении всего лишь 0,003% Н, 0,02% N или 0,7% О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается. Особенно вреден водород, он малорастворим в титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего, в частности, ударную вязкость и отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение. Поскольку физико-механические свойства титана и титановых сплавов зависят от содержания примесей в металле, то при дальнейшей эксплуатации таких лопаток начинается ускоренный процесс разрушения (возникновение трещин, дефектов основы и др.), который проводит к сильному повреждению или разрушению лопатки.
Решение проблемы обеспечения и восстановления эксплуатационных свойств лопаток ГТД стало возможно на основе использования метода ионной имплантации. Например, технологии восстановления эксплуатационных свойств лопаток ГТД (Пат. РФ № 2354521, МПК B23P6/00. Способ восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей / А. М. Смыслов и др., Бюл. № 13, 2009; Пат. РФ № 2420385. Способ восстановления эксплуатационных свойств лопаток из титановых сплавов / М. К. Смыслова и др., Бюл. № 16, 2011) обеспечивают не только формирование повышенных эксплуатационных свойств лопаток турбомашин при изготовлении лопатки, но и позволяют восстанавливать эти свойства после некоторого срока эксплуатации. Технологии предусматривают ионную имплантацию и постимплантационный отпуск. В качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации. Ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2–30 кэВ и дозе имплантации ионов 10·105·1020 ион/см2.