Масоперенесення в металічних системах на основі Fe, Cu І Al при імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами (стр. 6 )

Використання мікродифракційного аналізу показує, що одержаний підшар має ГЦК решітку, період якої практично не відрізняється від періоду решітки основного матеріалу. Даний шар слабодефектний (густина дислокацій до (7-8·109) см-2), судячи з ямок травлення, містить частинки вторинних фаз. Розшифрувати їхній фазовий склад не вдається через слабкий контраст рефлексів на мікроелектронограмі. В окремих випадках у даному шарі виявляються субзерна. Між цими субзернами спостерігається великокутова розорієнтація, що визначає структуру одержаного підшару.

На відстані ~ (0,3-0,5) мкм від поверхні імплантації спостерігається шар матеріалу скалярна густина дислокацій якого коливається від 2,1·1010 до 5·1010 см-2, що на порядок вище густини дислокацій вихідного матеріалу.

Рис. 4.8. Результати аналізу монокристалу сплаву Fe54-Cr20-Nі16-Mn10 з орієнтацією (111) після імплантації іонів вольфраму. Зображення одержані за допомогою ПЕМ: а – морфологія поверхні після імплантації дозою 5·1016 см-2; в – формування підшару після імплантації дозою 2·1017 см-2; б, г – відповідні їм мікродифракції

Дислокації розподіляються або хаотично, або формують сітчасту субструктуру.

Результати оже-спектроскопії дозволяють уточнити те, що нам дають результати інших вимірювань. Той факт, що вміст вуглецю на поверхні не досягає 100% свідчить про острівцевий характер будови плівки (особливо про її різну товщину) і неоднорідностях в рельєфі, що також узгоджується з результатами АСМ і ПЕМ і дозволяє конкретизувати їх.

4.2. Перемішування систем Fe/Pb/Fe та Pb/Fe при впливі ПІП

Порівняно з традиційними методами впливу ПІП дозволяє одержати більш високу концентрацію Pb в Fe, що пов’язане з низькою розчинністю Pb в Fe, тому дослідження систем з підвищеною концентрацією нерозчинних елементів має деякий інтерес.

В своїх експериментах за допомогою впливу ПІП на нерозчинну у рівноважних умовах систему Pb/Fe ми отримали метастабільні стани [154]. Відомо, що Pb і Fe рівноважних сплавів і сполук не утворюють і сильно відрізняються за теплофізичними властивостями. Температура плавлення a-Fe близька до температури кипіння свинцю. В експериментах використовувалися зразки a-Fe поверхня яких була очищена пучком іонів Ar+ з енергією (0,5-4) кеВ і потім у вакуумі на неї наносився розпиленням шар свинцю, товщиною 50 і 200 нм. Опромінення зразків проводили в камері прискорювача "Тонус" [157] з параметрами пучка іонів (С+(30%), Н+(70%)): тривалість імпульсу t = (60-100) нс, енергія іонів E = (0,2-0,5) МеВ з потоком енергії ~ (0,9-1,2) Дж/см2. Як методи дослідження були використані просвічуюча електронна мікроскопія, растрова електронна мікроскопія, вторинна іонна мас-спектрометрія.

Дослідження за допомогою ПЕМ показали, що після впливу ПІП у матриці a-Fe формуються (невідомі раніше) утворення розміром від 10 до 600 нм (рис. 4.9 а). Мікродифракція цих виділень показала, що неідентифікована фаза, ймовірно, має решітку ГЦК, а виявлені рефлекси відповідають міжплощинним відстаням

200 нм

а б

в

Рис. 4.9. Структура системи Fe/Pb/Fe (основа) після опромінення ПІП (результати ПЕМ аналізу (а), з мікродифракцією (б), з потоком енергії 0,9 Дж/см2):

а) структура, одержана ПЕМ ;

б) мікродифракція;

в) перетин оберненої гратки площиною (111) ГЦК-кристала;

l – рефлекс фази Pbx Fe1-x d = 0,2608 нм;

¼ – додатковий рефлекс із d = 0,225 нм (Fe3C);

¡ – матричний рефлекс

0,2608 нм (рис. 4.9 б). На схемі (рис. 4.9 в) зазначені рефлекси неідентифікованої фази, що утворюють правильний шестикутник для ГЦК площина (111).

Додаткові рефлекси (d = 0,225 нм) можуть бути пов'язані з появою часток Fe3С у процесі опромінення. Під дією ПІП випаровується частина Pb, а a-Fe плавиться (результати РЕМ), відбувається перемішування елементів у газоподібній і рідкій фазі (при осадженні з газоплазмового стану).

На користь цієї інтерпретації свідчать результати дослідження топографії поверхні за допомогою РЕМ (утворення виділень) і результати ВІМС (часткове випаровування Pb).

На рис. 4.10 представлені профілі Pb до і після опромінення ПІП системи Pb/Fe.

Рис. 4.10. Концентраційні профілі розподілу іонів в системі Fe/Pb/Fe до і після опромінення ПІП з потоком енергії 9∙103 Дж/м2 одержані методом ВІМС:

1 – Pb неопромінений;

2 – Pb після опромінення;

3 – PbхFe+1-x ·10 після опромінення;

4 – PbFeC+ 10 після опромінення

Частина свинцю переноситься в середину підкладки і перемішується з підкладкою в газоподібному і рідкому стані під дією градієнтів температури і тиску, що формується при газодинамічному розльоті пари і плазми з поверхні. Якщо порівняти профілі іонів до і після опромінення, то можна відзначити більше затягування довгої частини концентраційного профілю і більш положисте для іонів після впливу ПІП.

На рис. 4.11 представлений різницевий профіль розподілу іонів Pb+ у a-Fe після опромінення, тобто представлений "чистий" дифузійний профіль Pb у залізі. Крива може бути розділена на дві ділянки, що можуть бути описані двома залежностями і .

Рис. 4.11. Різницевий профіль концентрації Pb в a-Fe після дії ПІП з потоком енергії 9∙103 Дж/м2 (Одержаний з кривих на рис. 4.10)

Графічний розв’язок дифузійного рівняння Фіка 1-го роду описується двома прямими лініями. Це дало нам можливість визначити коефіцієнти дифузії за час опромінення D1 ~2·10-10 м2/с і D2 ~10-9 м2/с. Значення коефіцієнта D2 відповідає рідкофазному перемішуванню Pb у Fe, а D1 твердофазному перемішуванню з урахуванням градієнтів температури і тиску.

У шарі Pb і на межі з a-Fe формуються з'єднання сполуки Pbx Fe1-x і PbFeС. Про їхнє існування свідчать кластери Pbx Fe1-x+ і PbFeС+ , що своїм (характером) кутом нахилу відрізняються від розподілу іонів Pb+. Причому їхній струм міняється значно повільніше за величиною, ніж у Pb+. Стехіометрія передбачуваних фаз за попередніми даними PЗР складає х = (0,3-0,7) (Pbx Fe1-x).

Кожна фаза після імплантації, як правило, не є повністю сформованою фазою, як з точки зору стехіометрії, так і з точки зору своєї кристалічної структури.

Як видно з рис. 4.12, після опромінення ПІП системи Fe/Pb/Fe відбувається зміщення краю спектра в праву сторону і зниження інтенсивності Pb, що свідчить про перемішування Pb і Fe з утворенням системи Pbx Fe1-x. На внутрішній частині рисунка наведена схема перемішування під впливом ПІП.

Рис. 4.12. Енергетичні спектри резерфордівського зворотного розсіювання іонів Не2+, виміряні для системи Fe/Pb/Fe:

+ - вихідний стан;

● - після впливу ПІП з потоком енергії 9,5×10-5 Дж/м2, τ=80 нс, Еср ≈ 300 кеВ (пучок протонів і вуглецю)

Дослідження залишкових напруг в монокристалах свинцю проводили з використанням методів ядер віддачі (рис. 4.13) і аннігіляції повільних позитронів.

На рис. 4.13 представлено залежність концентрації іонів водню Н+ за глибиною монокристалу Pb, опроміненого ПІП (С+(30%), Н+(70%), енергія Еср = (0,2-0,6) МеВ, тривалість імпульсів 100 нс, густина струму 200 А/см2). Як видно з рисунка на залежності є два максимуми концентрації Н+, один з яких nH1 = 7,4 ат. % знаходиться на відалі від поверхні d1 = 102 мкм, а другий nH2 = 9 ат. % на відстані d2 = 280 мкм. На залежності є також два мінімуми: перший – nH2 = 3 ат. % при d3 = 50 мкм, а другий nH4 = 1 ат. % на відстані d4 = 180 мкм. В області першого максимуму (область стискуючих напруг) підвищена концентрація міжвузлових атомів. В області другого мінімуму (область розтягуючих напруг) підвищення концентрації вакансій.

Рис. 4.13. Залежність концентрації атомів водню Н nH за глибиною для монокристалу Pb опроміненого ПІП (С+(30%), Н+(70%), енергія Еср=(0,2-0,6) МеВ, тривалість імпульсів 100 нс, густина струму 200 А/см2)

Спостерігається кореляційна залежність між розподілами мікротвердості, f-параметра і концентрації іонів Н+ для монокристалу Pb. Досліджувані зразки Cu, Al і W опромінювали ПІП (С+(30%), Н+(70%), енергія Еср = (0,2-0,6) МеВ, тривалість імпульсів 100 нс, густина струму 200 А/см2). Спостерігаються максимуми мікротвердості Н1 = (2,5-3,5) Н0 на віддалі від поверхні d1 = (5-10) мкм. Другий максимум Н2 = (0,6-0,7) Н1 спостерігається на віддалі від поверхні d2 = (40-60) мкм. Н0 – мікротвердість вихідного зразка.

Зокрема, для Al опроміненого ПІП (С+(30%), Н+(70%), енергія Еср = (0,2-0,6) МеВ, тривалість імпульсів 100 нс, густина струму 100 А/см2): Н0 ≈ 450 МПа; Н1 ≈ 1350 МПа, d1 ≈ (5-10) мкм; Н2 ≈ 900 МПа, d2 ≈ (40-50) мкм. Для металів спострігається кореляційна залежність між концентрцією водню і f-параметра.

Проводячи комплексний аналіз, величину залишкових напруг σ, які виникли в монокристалі Pb в любій точці, можна оцінити наступним чином:

(4.1)

де σ – величина залишкових напруг;

– концентрація атомів водню, вакансій та міжвузлових атомів на відстані d від поверхні відповідно;

– концентрація атомів водню, вакансій та міжвузлових атомів до опромінення на відстані d від поверхні відповідно.

Мікротвердість визначали використовуючи косий зріз. Слід зразу відмітити те, що у зразках опромінених ПІП наносекундної тривалості маються всього дві зони зі зміненою структурою. Перша зона мілкодисперсна зі зміненим фазовим складом (товщина (5-10) мкм) і друга зона, яка відрізняється тільки розміром зерна, дещо меншим ніж у вихідній структурі. Товщина цього шару складає десятки мкм.

На рис. 4.14 представлена залежність мікротвердості за глибиною опроміненого ПІП монокристала свинцю. Як видно з рисунку на залежності є два максимуми мікротвердості, один з яких H0 ≈ 40 MПa при d1 ≈ 15 мкм (поблизу поверхні опромінення), а другий H0 ≈ 37 MПa при d2 ≈ 180 мкм зв’язаний з формуванням і диссипацією ударної хвилі в результаті випаровування поверхні свинцю, що корелює з відомими літературними даними [76, 158,159]. Слід також відмітити, що максимальним значенням мікротвердості відповідають максимальні густини дислокацій.

Рис. 4.14. Розподіл мікротвердості за глибиною модифікованого шару монокристалу Pb, опроміненого ПІП (С+(30%), Н+(70%), енергія Еср = (0,2-0,6) МеВ, тривалість імпульсів 100 нс, густина струму 200 А/см2)

4.3. Масоперенесення при впливі ПІП на металічні системи

4.3.1. Процеси інтенсивного перенесення атомів в речовині при імпульсному впливі іонів. Для дослідження ролі в перенесенні рідкої фази, що утворюється при опроміненні поверхні ПІП, було розв’язане рівняння теплопровідності

, (4.2)

де а – коефіцієнт температуропровідності;

w – функція джерела (об'ємна потужність енерговипромінювання), що характеризується кінетикою зміни густини струму (потоку енергії) у пучку з просторовим розподілом лінійних втрат енергії прискорених частинок;

Сr – теплоємність;

r – густина.

Була одержана просторово-часова еволюція поля температур (адіабатичне наближення тут не прийнятне, тому що довжина пробігу іонів порівняна з характерною відстанню перенесення тепла за час опромінення) і глибина розташування границі розділу фази “рідина – тверде тіло” відносно поверхні, яка може істотно перевищувати проективну глибину пробігу іонів.

Прийнявши до уваги, що дифузійний профіль у рідкому металі описується виразом типу

(4.3)

була побудована залежність виду і визначені коефіцієнти масоперенесення в рідкій і твердій фазах.

Перемішування в рідкій фазі при ПІП впливі можна розглядати не тільки як іонне перемішування, але і як результат термодинамічних сил, зумовлених наявністю великих градієнтів температури і тиску. У цьому випадку масоперенесення може бути описане таким чином:

, (4.4)

де КТ і КР – термо - і бародиффузійні відношення.

Визначимо внесок кожної з зазначених термодинамічних сил у загальний потік дифундуючих атомів. Приймаючи до уваги, що згідно

, (4.5)

де V – питомий об’єм на одиницю маси;

m – хімічний потенціал суміші.

Похідна являє собою питомий об’єм на один атом при постійних тиску і температурі. В області малих концентрацій, тобто на деякому віддаленні від межі розділу речовин, хімічний потенціал може бути представлений як функція температури, тиску і концентрації

. (4.6)

Тому

. (4.7)

Термодифузійне відношення можна визначити з даних по теплоті переносу Q, що визначає потік тепла, який необхідно затратити на перенесення одиниці речовини в ізотермічному режимі. Відповідно до кінетичних рівнянь Онзагера, потоки речовини і тепла можна виразити наступним чином:

,

. (4.8)

Тут L – кінетичні коефіцієнти. У зв'язку з тим, що для розбавлених розчинів , а також вважаючи на те, щосправедливість нехтування членом СР для ПІП наносекундної тривалості буде показана нижче з (4.8) випливає:

. (4.9)

Звідси, знаючи КТ, можна знайти потік атомів, що дифундують в полі градієнта температури, викликаного впливом ПІП. Аналіз опублікованого матеріалу показав, що модуль , де Еа – енергія активації дифузії. Це дало можливість оцінити з точністю до порядку співвідношення між абсолютними значеннями модулів потоків атомів у дифузійній зоні, зумовлених градієнтами С, Р і Т, які виражаються наступним чином:.

(4.10)

Так, наприклад, для системи Pb/Fe на відстані 1 мкм від поверхні через 10-6 с після імпульсу ПІП з потоком енергії 2,2 Дж/см2 (100 А/см2) ці величини (таблиця 4.1) складають:

Таблиця 4.1

Результати досліджень модулів потоків величин атомів у дифузійній зоні зумовлених градієнтами С, Р, Т для системи Pb/Fe.

Параметри потоків атомів	Величина
, см2/с	1,1∙10-10
, см2/с	9,8∙10-10
, см2/с	8,5∙10-8

Таким чином, враховуючи, що у випадку наносекундного впливу ПІП час релаксації температурного поля істотно більше тривалості опромінення, можна вважати, що при їхньому впливі основний внесок у перенесення атомів дає бародифузійний потік, зумовлений градієнтом температури, а міграція і перемішування в полі градієнта концентрації в рідкій фазі та ін. не є визначальними факторами у встановленні концентраційного профілю.

Правда, ситуація міняється при наявності ударної хвилі, як показали автори [160, 161], в області її фронту на кривій повинен існувати максимум, що переміщається разом із хвилею.

Тепер зупинимось на аналізі моделей масоперенесення при імпульсних впливах, які використовуються для пояснення експериментальних результатів.

Імпульсний вплив породжує в зразку потужні нерівноважні поля температур і тисків, градієнти яких досягають 109 К/м і 1014 Па/м. В цих умовах можуть стати значними звичайно знехтувані термо і бародифузійні потоки:

, , (4.11)

де N – ядерна густина речовини;

D – коефіцієнт дифузії;

T – температура;

p –тиск;

KТ і КР – відповідно термо і бародифузійні відношення.

Теорії термо і бародифузії дають для KТ і КР наступні наближені значення:

, , (4.12)

де Ωs – теплота перенесення дифузанта;

С – його концентрація;

ΔV – різниця атомних об’ємів дифузанта і матриці;

k – константа Больцмана.

Оцінки показують, що в умовах опромінення наносекундними потоками іонів jc = -NDΔC, jT і jP відносяться як 1:1:10-2. В зв’язку з цим було проведено більш детальне вивчення дифузії під дією градієнта температури, для чого термодифузійне рівняння

(4.13)

розв’язувалось спільно з співвідношенням Стефана.

Розрахунки проводились для умов експериментів до моменту повного затвердіння зразка.

З одержаних експериментальних результатів видно, що врахування термодифузії дає суттєву добавку в загальний дифузійний потік і дозволяє наблизити розрахунковий і експериментальний профілі. Однак повного їх співпадання досягти не вдалося. Зареєстроване в експериментах масоперенесення було більш інтенсивним.

Якщо домішка, що міститься в розплаві має різні межі розчинності в твердій та рідкій фізі, то при рухові фронту затвердіння в йому буде відбуватися її сегрегація.

Результуючий профіль концентрації домішки визначається як коефіцієнт сегрегації, рівний відношенню границь розчинності, так і співвідношенням між інтенсивністю перемішування розплаву (наприклад, в результаті дифузії) і швидкістю руху фронту.

Аналіз кінетики цього процесу стосовно до впливу ПІП показав, що ефект сегрегації може дещо змінити форму концентраційного профілю домішки, але не здатний (в крайньому випадку при одноразовому впливі) пояснити проникнення домішки в глибину.

Ще однією причиною посилення міграції атомів під впливом ПІП може бути перемішування речовини в розплавленому поверхневому шарі в гідродинамічному режимі.

Для чисельного розв’язування системи рівнянь суцільного середовища для випадку опромінення ПІП (з частковим випаровуванням) була розроблена схема розв’язку рівнянь в Ейлеревому вигляді, що дозволило відсліжувати рухому поверхню конденсованої фази. Використовувались рівняння стану речовини. В приповерхневий шар зразка були введені точкові маркери, імітуючи частинки плівки. Відсліджувались розраховувані через масові одиниці (для усунення ефектів) зміщення маркерів за глибиною:

, (4.14)

де Xm, Ym – координати маркера;

Xs – координата поверхні;

ρ – густина;

ρ0 – вихідна густина.

Були одержані наступні результати (при j = 104 А/см2). В зразку розвивався тиск до 109 Па. Швидкість речовини в напрямі Х досягла (102-103) м/с, в напрямку Y – (0,1-1) м/с. Було виявлено, що в приповерхневих шарах зміщення маркерів пропорційні їх глибині залягання Xm і локальному градієнту густини струму dj/dy≈dy. Аналіз поля швидкостей в зоні обчислень 0≤Х≤1 мм, 0≤Y≤dy/2 показав наявність нульового моменту імпульсу. Природно припустити, що даний вихровий рух за час існування на поверхні зразка рідкої фази і затухання хвиль тиску (одиниці мс) здатний привести до суттєвого перемішування поверхневих шарів.

Якщо дотримуватись ідей робіт [162-164] Вершиніна Г. А. та Вахній Т. В., які є продовженням розвитку ідей робіт Кривобокова В. П. з співавторами, що враховують внесення дифузії по мігруючим протяжним дефектам в кінцевий профіль розподілу атомів плівки (для елементів Fe та Pb у нашому випадку для системи Fe/Pb/Fe див. рис. 4.11, одержаний із РЗР даних і результатів ВІМС-аналізу нормованого на профіль, одержаний методом РЗР). Були проведені розрахунки концентраційних профілів розподілу домішок з урахуванням термо - і бародифузії, не приймаючи до уваги зміни дефектної структури матеріалу в процесі опромінення. Ці розраховані концентраційні профілі не співпадають на великих глибинах з експериментальними результатами. В наших розрахунках ми використовували Е = 0,5 МеВ, τ = 100 нс і j = (40-50) А/см2. При такому впливі ПІП зразок (із Fe) плавиться приблизно на 1 мкм, досягається температура кипіння Pb і розпиляється приблизно (0,05-0,1) мкм Pb або 0,02 мкм Fe поверхні. При моделюванні ми використовували слідуючі значення коефіцієнтів дифузії: D = 10-9 м2/с, D1 = 3000 D, Dt =50 D.

Одержане узгодження з експериментом досягається при припущенні що до плавлення np = 0,5, nd = 0,1, ns = 0,4, тобто половина атомів дифундує по бездефектному об’єму матеріалу, 10% атомів попадає в зерно після дифузії по мігруючій межі зерна (або дислокації), а решта атомів переноситься по сильно дефектному об’єму мішені.

З приведених розрахунків виходить, що довгопробіжні (до глибин, більших товщини проплавленого шару) довгі частини концентраційних профілів формуються за рахунок дифузії по мігруючим протяжним дефектам, в основному, ще до плавлення матеріалу. Зміна структурно-фазових характеристик нанокристалічних систем Pb/Fe та Fe/Pb/Fe залежить від структури міжзерених меж і не залежить від розміру зерна. Додатковий внесок в перенесення речовини вносить термодифузія.

Таким чином, серед механізмів ідентифікації міграції атомів при опроміненні твердого тіла ПІП важливу роль відіграють дифузія і термодифузія в розплавленому шарі зразка, а також перемішування цього шару в гідродинамічному режимі [165-168].

4.3.2. Аномальне масоперенесення в полі ударної хвилі. Роль хвиль напруг у підсиленні процесів масоперенесення полягає в тому, що вони створюють в опроміненому матеріалі високу густину протяжних дефектів, що перебудовуються, дифузія домішкових атомів вздовж яких прискорюється.

Використаємо інший підхід для визначення градієнта тиску в полі ударної хвилі. Скористаємось просторовим розподілом:

, (4.15)

отриманим із законів збереження потоків маси, імпульсу і енергії в припущенні малості тиску p2 – p1 порівняно з його значеннями p1 і p2 перед і після фронту хвилі. Ширина фронту має вигляд:

, (4.16)

тут v = ρ-1 питомий об’єм, параметр

, (4.17)

задається значеннями швидкості звуку, кінематичної в’язкості υ = ρ-1 [(4/3)η+ξ], де η,ξ – коефіцієнти в’язкості ізотропного середовища густиною ρ, χ =/(ρср) – температуропроводність, що визначається теплопровідністю і ізобарною теплоємністю ср; γ = ср/ сv – показник адіабати. Кривизна політропи має вигляд:

. (4.18)

Дрейфовий потік VD = рυ забезпечується переміщенням атомів в полі ударної хвилі з швидкістю υ = -μÑρ, де μ – рухливість. Використовуючи вирази (4.11-4.14) для ефективного коефіцієнта дифузії, що пов’язує повний потік і градієнт концентрації, отримаємо вираз:

, (4.19)

де вихідний коефіцієнт дифузії визначається формулою типу Ейнштейна-Смолуховського:

, (4.20)

де Ωρ – атомний об’єм;

Т – температура в енергетичних одиницях.

Таким чином, відносне перенормування коефіцієнта дифузії записується у вигляді:

. (4.21)

Тут для градієнта концентрації використана оцінка | ÑС | ≈ С0/L, де С0 – концентрація мічених атомів на поверхні, L – глибина проникнення після впливу ударної хвилі. Згідно (4.15-4.17) зростання коефіцієнта масоперенесення забезпечується не тільки перепадом тиску ρ2 – ρ1, а і зменшенням кінематичного коефіцієнта (4.13), що виникає за рахунок спадання в’язкості і теплопровідності при підвищенні тиску. При типових значеннях величин:

ρ ~ (1-10) г/см3, γ = 5/3, С ~ 105 см/с, Ωρ ~ 10-23 см3, С0 = (10-1 – 1),

h ~ 10-5 см, T ~ 107 Дж умова ΔD>>D0 приводить до нерівності

. (4.22)

Її виконання забезпечується навіть при слабкому перепаді тиску в ударній хвилі, якщо вона значно понижує величину в’язкості. В дійсності, напевно, важливу роль відіграє як градієнт тиску, так і його величина, понижуюча значення кінематичного коефіцієнта (4.17) [150,169].

Розрахована залежність ефективного коефіцієнта масоперенесення при впливі ПІП на металічні системи від густини струму. Зокрема при перемішуванні ПІП системи Pb/Fe з густиною струму (10-150) А/см2 ефективний коефіцієнт масоперенесення становить (4,25·10 -8 – 5,6·10 -9) м2/с.

4.4. Використання іонноперемішаних під дією ПІП шарів Au/Fe/Ni у виготовленні магнітокерованих герметизованих контактів

Одним із практичних застосувань іонного перемішування і плавлення під дією ПІП є поліпшення характеристик магнітокерованих герметизованих контактів (герконів) [170-172] , що мають ряд переваг у порівнянні із звичайними електромеханічними комутаційними приладами, завдяки високій надійності, чутливості, простоті і технологічності конструкції, можливості функціонування в агресивних і вибухонебезпечних середовищах, і тому широко застосовуються в радіоелектронній апаратурі, засобах зв'язку, контролю і керування. Як правило, у газонаповнених герконах малої і середньої потужності для забезпечення низького і стабільного опору контактів і стійкості до електричної ерозії використовуються гальванічні покриття на основі золота (сплави Au/Co, Аu/Ni, Au/Ni/Rh).

Однак, в умовах масового виробництва важко забезпечити необхідну стабільність електрофізичних властивостей покрить. Внаслідок неконтрольованих відхилень концентрації легуючого елемента від оптимального значення в герконах, ці геркони можуть мати низьку стійкість до холодного зварювання, до впливу дуги розмикання. Крім того, при комутації ланцюгів можливий ріст опору контактів внаслідок утворення слабо провідних плівок у зоні контактування, що обумовлено високою концентрацією в покриттях вуглевмісних домішок, що осаджуються з простих електролітів у добре контрольованих умовах, з наступним формуванням золотовмісного сплаву на контактній поверхні шляхом іонного перемішування двошарової системи.

В своїй роботі ми використовували геркони MKA-27101 із двошаровим покриттям Ni~2 мкм і Au~0,5 мкм, потім їх опромінювали на прискорювачі "Тонус" у режимі іонного перемішування: E~(0,2 -0,5) МеВ, t~80 нс, j~(20-100) А/см2. Для дослідження фізико-хімічного стану поверхні були використані методи оже-електронної спектроскопії (ОЕС), вторинної іонної масспектроскопії і ПЕМ. Було одержано, що після ПІП-обробки на поверхні утворюються метастабільні сполуки, твердий розчин Ni і кристалічне Au. Одержана фаза рівномірно розподіляється по всьому об'єму модифікованого шару.

Дослідження ресурсних властивостей герконів у режимі комутації ланцюга постійного струму Uk = 60 В, Ik = 0,08 А показали, що мінімальний наробіток приладів збільшується в (4-5) разів у порівнянні з герконами із звичайним покриттям електрохімічного сплаву Au/Ni. Іспити в мікропотужному режимі комутації Uk = 2·10-2 В, Ik = 10-2 А показали, що опір герконів протягом усього терміну служби стабільний і не перевищує 0,05 Ом. Всі електричні параметри герконів задовольняють вимогам технічних умов, а вихід придатних виробів відповідає існуючому рівневі. Слід зазначити, що одним з важливих переваг у технології ПІП, з точки зору застосування її у виробництві контактів, є добра сумісність з електрохімічним процесом: обробку контакт-деталей ПІП можна проводити безпосередньо в підвісках після нанесення гальванопокриття.

Попередня оцінка кінематичної продуктивності технологічного процесу обробки ПІП показує, що з використанням одного прискорювача типу "Темп", "Тонус" можна виготовляти також модифіковані покриття на не менш 60 млн. контакт-деталей у рік.

Як ми показали вище, практичне використання перемішування приводить до зміцнення і збільшення терміну служби герконів. Для моделювання якісного перемішування в герконах Au/Fe/Ni були опромінені реальні геркони з різною густиною потоку енергії і виміряні на цих зразках спектри зворотного розсіювання іонів. Як видно на рис. 4.15 а-д найкраще перемішування спостерігається при густині потоку енергії близько (9-10)∙103 Дж/м2.

Зменшення інтенсивності піку Au, його розмитя і зміщення правого краю спектру свідчать про те, що опромінення ПІП призводить до перемішування компонентів при всіх значеннях густини потоку енергії. При великих значеннях потоку енергії на спектрах з'являються горизонтальні ділянки, наявність яких свідчить про можливе утворення шарів товщиною до 100 нм з рівномірною концентрацією Au.

Зменшення інтенсивності піку Au із зростанням потоку енергії говорить про те, що процес перемішування супроводжується втратою маси Au. Спостерігається добре перемішування компонентів системи на глибину до (100-250) нм. Використовуючи друге рівняння Фіка, ми розрахували ефективний коеффіцієнт дифузії Au в рідкій фазі. Оцінки показали, що значення цього коефіцієнта лежить в межах (3-7)·10-5 см2/с, що є характерним для дифузії Au в рідкій фазі.

Результати, одержані за допомогою ОЖЕ показали, що у початковому стані плівка містить значну кількість кисню та вуглецю. максимальна концентрація кисню спостерігається на межі розділу „плівка-пікладка”, що призводитьсядо утворення оксидної плівки. Але після імпульсного та інтенсивного опромінювання спостеріається перерозподіл елементів плавки та підкладки, що добре узгоджується з результатами РЗР. Значна концентрація кисню супроводжується утворенням осидної плівка Au2O поблизу поверхні. В проведених експериментах ми одержали, що максимальна концентрація Au величину порядку nAu»3,1ּ1027 см3, що відповідає атомній концетрації С»40 ат.%.