JP2002518587A - Material surface modification simplification method - Google Patents

Material surface modification simplification method

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JP2002518587A
JP2002518587A JP2000553962A JP2000553962A JP2002518587A JP 2002518587 A JP2002518587 A JP 2002518587A JP 2000553962 A JP2000553962 A JP 2000553962A JP 2000553962 A JP2000553962 A JP 2000553962A JP 2002518587 A JP2002518587 A JP 2002518587A
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partially
melting point
contaminant
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JP2000553962A
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ダブリュー.スティンネット リーガン
ディー.シー.マッキンタイア
エム.ティー.クロフォード
アール.ロックナー トーマス
ケー.イー.バウチャー
エル.ノウ ユージン
Original Assignee
クァンタム マニュファクチャリング テクノロジーズ インコーポレーテッド
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    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08CLEANING
    • B08BCLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21KTECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00Irradiation devices
    • G21K5/04Irradiation devices with beam-forming means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/31Processing objects on a macro-scale
    • H01J2237/316Changing physical properties

Abstract

(57)【要約】 材料の表面に所定のパルス繰り返し率と、所定パルス幅と、所定の印加エネルギーを有するパルスイオンビームを照射することによって、材料の表面領域を改質する能力を大幅に向上させる。 (57) [Summary] The ability to modify the surface area of a material is greatly improved by irradiating the surface of the material with a pulsed ion beam having a predetermined pulse repetition rate, a predetermined pulse width, and a predetermined applied energy. Let it.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 技術分野 本発明は、材料の表面領域を改質するための方法に関するものである。本発明
は、広範にわたる様々な材料に適用可能であり、該表面領域を改質するための所
定のパルス繰返し率、所定のパルス幅、及び所定の印加エネルギーを有する磁気
密閉陽極プラズマ(MAP)イオン源から引き出されたイオンビームを利用する
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for modifying a surface area of a material. The present invention is applicable to a wide variety of materials and includes magnetically sealed anode plasma (MAP) ions having a predetermined pulse repetition rate, a predetermined pulse width, and a predetermined applied energy for modifying the surface area. Utilizes an ion beam extracted from the source.

【0002】 背景技術 材料の性能を向上させるための要望がエスカレートするにつれ、表面改質を通
して材料の特性の改良に対する要望も大きくなっていている。表面改質の1つの
方法としては、材料の表面を急速に加熱し、冷却することによって、表面の組成
、及び表面上の材料の空間的配列を変化させる方法がある。このような方法では
、さらに表面の機械的、化学的、電気的、光学的、及びその他の特性までも深刻
なまでに変えてしまう。しかし、特に処理温度が少なくとも材料の融点を超える
場合、大量の成形品又は大面積を一定に処理するためには、商業的に実行できる
技術がないことが急速熱処理を広く商業的に使用できるようにならない永年の障
害となっていた。
BACKGROUND OF THE INVENTION As the demand for improving the performance of materials escalates, the demand for improving the properties of materials through surface modification is increasing. One method of surface modification involves rapidly heating and cooling the surface of the material to change the composition of the surface and the spatial arrangement of the material on the surface. Such methods also severely alter the mechanical, chemical, electrical, optical, and other properties of the surface. However, there is no commercially viable technology to process large quantities of moldings or large areas consistently, especially when the processing temperature exceeds the melting point of the material, making rapid heat treatment widely available for commercial use. It was a long-standing obstacle that could not be achieved.

【0003】 熱的に材料を変化させる1つの試みとしては、レーザを使用するものがある。
しかし、レーザの使用は、いくつかの欠点を伴う。表面にレーザエネルギーを結
合させる効率は、処理する表面の光学的特性に大きく依存している。したがって
、レーザを使用すると表面の欠陥や不均一性による不均一な処理を招く。また、
大面積を処理するために表面をぬぐう必要がある小ビームスポット(典型的には
、数平方センチメートルよりもかなり小さい)を使用するため、レーザは制限さ
れてしまい、処理表面に望ましくない機械的、及び電気的エッジ効果を招く。こ
のエッジ効果は、先にレーザビームで処理した材料が隣接領域にレーザビームが
通るために再処理されてしまうことによっておこる。パルス電子ビームを使用し
て、熱サイクルにより表面を改質することもできる。パルス電子ビームでは、ビ
ーム輸送、及び材料内への侵入深さに関して問題がある。
[0003] One attempt to thermally change the material involves using a laser.
However, the use of lasers has some disadvantages. The efficiency of coupling laser energy to a surface is highly dependent on the optical properties of the surface being treated. Therefore, use of a laser causes uneven processing due to surface defects and unevenness. Also,
Due to the use of small beam spots (typically much smaller than a few square centimeters) that need to wipe the surface to process large areas, the laser is limited and undesirable mechanical and Induces electrical edge effects. This edge effect occurs because the material previously treated with the laser beam is reprocessed because the laser beam passes through adjacent areas. The surface can also be modified by thermal cycling using a pulsed electron beam. Pulsed electron beams have problems with beam transport and depth of penetration into the material.

【0004】 材料の表面特性を熱的に変化させる別の方法としては、パルスイオンビームを
使用する方法がある。しかし、これには従来のパルスイオンビーム方法を使用す
る上での問題が付きまとう。レーザ同様に、従来のイオンビームを使用する場合
、単位処理面積当りのコストが高くつく。さらに、“フラッシュオーバ”(即ち
、表面アーク式プラズマ源)を使用するイオンビーム生成器が、処理する表面を
汚染する破片を生成してしまう。さらに、“フラッシュオーバ”は、均一性に対
してマイナスに働き、その結果、再現性、及びビームの効率を悪くする。
Another method of thermally changing the surface properties of a material is to use a pulsed ion beam. However, this entails problems with using the conventional pulsed ion beam method. Similar to a laser, the cost per unit processing area is high when using a conventional ion beam. In addition, ion beam generators using "flashover" (i.e., a surface arc plasma source) produce debris that contaminates the surface being treated. Further, "flashover" has a negative effect on uniformity, resulting in poor reproducibility and beam efficiency.

【0005】 イオンビームで材料の表面特性を熱的に変えることによって表面特性の改質を
可能にする技術において低コストで簡単な方法が要求されている。
[0005] There is a need for a low-cost, simple method in a technology that allows the surface properties of a material to be modified by thermally changing the surface properties of the material with an ion beam.

【0006】 発明の開示 本発明の目的は、処理対象表面、又は処理対象表面近傍の深さが制御でき、溶
融、又は、かなり加熱される材料が数ミクロン以下の深さまで限定できる材料表
面改質方法を提供することにある。
DISCLOSURE OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a material surface modification in which the depth of the surface to be processed or near the surface to be processed can be controlled and the material to be melted or considerably heated is limited to a depth of a few microns or less It is to provide a method.

【0007】 本発明の他の目的は、材料の急速冷却ができる材料表面改質方法を提供するこ
とであって、特に処理対象の深さが小さい場合に、大面積が効率よく、比較的低
エネルギー、高処理率で処理できるようにすることである。
Another object of the present invention is to provide a material surface modification method capable of rapidly cooling a material, and particularly when the depth of a processing object is small, a large area is efficiently used and a relatively low surface area is provided. Energy and high processing rate.

【0008】 本発明によれば、上記、及び他の目的が、材料表面改質方法によって部分的に
達成でき、該方法は 材料の表面に対して、ほとんど回転せず磁気的閉じ込め陽極プラズマ(MAP
)イオン源から引き出された、少なくとも0.1パルス/秒の所定のパルス繰り
返し率と約20ナノ秒ないし役0.05ミリ秒の範囲の所定のパルス幅を有する
パルスイオンビームを照射する工程と、 上記表面に対して約0.01J/cm2ないし約20J/cm2の範囲の所定の
エネルギー密度を有するエネルギーを印加する工程とを備えていることを特徴と
する。
According to the present invention, the above and other objects can be achieved, in part, by a method for modifying a material surface, which method uses a magnetically confined anodic plasma (MAP) with little rotation relative to the surface of the material.
Irradiating a pulsed ion beam extracted from the ion source and having a predetermined pulse repetition rate of at least 0.1 pulses / second and a predetermined pulse width in the range of about 20 nanoseconds to 0.05 milliseconds; , characterized in that it comprises the step of applying energy with a predetermined energy density in the range of about 0.01 J / cm 2 to about 20 J / cm 2 with respect to the surface.

【0009】 本発明のさらなる目的、及び利点は、以下の詳しい説明で当業者にとって明ら
かになるであろう。ただし、本発明の実施形態は、発明を実施するための最良の
実施形態を単に例を挙げて説明しているだけである。後にわかるように、本発明
は他の異なる実施形態でも可能であり、いくつかの詳細が様々な自明の形態にお
いて本発明から逸脱することなく変更可能である。したがって、図面及び明細書
は特質の例示であって、限定的にみなされるものではない。
[0009] Further objects and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description. However, the embodiment of the present invention merely describes the best embodiment for carrying out the invention with an example. As will be seen, the invention is capable of other and different embodiments, and its several details are capable of modifications in various obvious aspects, all without departing from the invention. Accordingly, the drawings and description are illustrative of the nature and are not to be regarded as limiting.

【0010】 本発明のイオンビーム源の詳細な説明 本発明の実施形態によると、材料の表面は、少なくとも0.1パルス/秒の所
定のパルス繰返し率と、約20ナノ秒から約0.05ミリ秒の範囲での所定のパ
ルス幅を有するイオン磁気的閉じ込め陽極p(MAP)ソースから引き出された
イオンビームで表面を照射し、約0.01J/cm2から約20J/cm2の範囲
での所定のエネルギーを表面に印加することにより、材料の表面を改質できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE ION BEAM SOURCE OF THE INVENTION According to embodiments of the present invention, the surface of the material may have a predetermined pulse repetition rate of at least 0.1 pulses / second, and a pulse rate of between about 20 nanoseconds to about 0.05 nanoseconds. a predetermined surface by ion magnetic confinement anode p (MAP) ion beam extracted from the source by irradiating with a pulse width in the range of about 0.01 J / cm 2 to about 20 J / cm 2 in the range of milliseconds By applying the predetermined energy to the surface, the surface of the material can be modified.

【0011】 本発明の方法を実施するために利用するイオンビーム源は、(MAP)イオン
ビーム装置のように、磁気的閉じ込め又は磁気的誘導陽極pソースを提供するイ
オンビーム源である。MAPイオンビーム装置は、米国特許番号5,473,1
65、5,525,805、5,532,495、5,656,819、及び5
,900,443に開示されており、その開示全体を参考としてここに組み入れ
ている。本発明の実施形態によると、イオンビームは、少なくとも約0.5パル
ス/秒の繰返し率を有する、反復性の、引出し可能なイオンビームである。この
ようなパルスは、ビーム装置の重大な損傷や破片を伴うことなく提供できる。
The ion beam source utilized to perform the method of the present invention is an ion beam source that provides a magnetic confinement or a magnetically induced anode p source, such as a (MAP) ion beam device. The MAP ion beam device is disclosed in US Pat. No. 5,473,1.
65, 5,525,805, 5,532,495, 5,656,819, and 5
, 900, 443, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. According to embodiments of the present invention, the ion beam is a repetitive, extractable ion beam having a repetition rate of at least about 0.5 pulses / second. Such pulses can be provided without significant damage or debris of the beam device.

【0012】 本発明の実施形態によれば、イオンビームはほとんど回転させずにイオン源か
ら引き出される。ここで使用する、“ほとんど回転しない”とは、ビーム装置か
ら引き出された環状イオンビームが、ビーム装置の全磁界を通った後の対象に向
けた軸方向速度が30%未満、即ち軸方向速度に対する回転速度の比率が0.3
未満である方位角回転速度のビーム装置から引き出されていることを意味する。
本発明の実施形態によれば、イオンビームが、例えば、プロトン又は窒素のイオ
ン種構造を有し、60%以上の種の純度であって、ビームは0.01ジュール/
cm2以上、例えば、約0.1J/cm2から約20J/cm2の印加エネルギー
密度準位を有する。本発明では、p位置は材料表面ではなく、磁界の分布によっ
て決定される。言い換えれば、ビーム装置の陽極と陰極との間の加速電界によっ
て加速されたソースイオンの位置は、直接に固体表面ではなく、ビーム装置の誘
導磁界の形状や大きさによって主として決定される。
According to embodiments of the present invention, the ion beam is extracted from the ion source with little rotation. As used herein, "substantially no rotation" means that the annular ion beam extracted from the beam device has an axial velocity of less than 30% toward the target after passing through the entire magnetic field of the beam device, that is, the axial velocity. The ratio of the rotation speed to
Means that it is pulled out of the beam device with an azimuthal rotational speed of less than.
According to an embodiment of the present invention, the ion beam has, for example, a proton or nitrogen ionic species structure and is at least 60% species pure and the beam is 0.01 Joules /
cm 2 or more, for example, with an applied energy density level of about 0.1 J / cm 2 to about 20 J / cm 2. In the present invention, the p position is determined not by the material surface but by the distribution of the magnetic field. In other words, the position of the source ions accelerated by the accelerating electric field between the anode and the cathode of the beam device is determined directly by the shape and magnitude of the induced magnetic field of the beam device, not directly on the solid surface.

【0013】 本発明の一実施形態では、所要のパラメータを有するイオンビームを表面の領
域に照射することによって汚染が少なくとも部分的には洗浄化される。本文で使
用する場合、“汚染“とは、望ましくない材料が表面領域に存在することを指す
。ここで使用する、“洗浄化”とは、表面から汚染物資を優先的に除去する、又
は材料表面上の汚染物質の分布を変えることによって表面の構成、及び化学的状
態を変えることを含む。
In one embodiment of the invention, the contamination is at least partially cleaned by irradiating an area of the surface with an ion beam having the required parameters. As used herein, "contamination" refers to the presence of unwanted material in surface areas. As used herein, "cleaning" includes preferentially removing contaminants from a surface, or altering the composition and chemical state of a surface by altering the distribution of contaminants on a material surface.

【0014】 表面の原子配列、表面の構成、及び表面の地形を変えることで、被膜や、表面
に次に施される同様の層の特性を変えることができる。例えば、亀裂や細孔の封
止及び平滑化と不純物の蒸発化を結びつけることにより、スパッタリングや蒸着
といった技術によって表面に施される層の密着性、及び固有の特性の改良が期待
できる。本文で使用する場合、“表面”とは、材料の名目上の2次元の表面と平
面の両方を意味し、例えば深さ約300ミクロメータまでの表面近傍を含む。本
発明によって表面から洗浄化されうる汚染物質には、例として、炭化水素で汚染
された鉄表面、酸化物で汚染された金属表面、スズ又は窒化チタニウムで汚染さ
れた超硬合金表面、及び金属で汚染されたセラミック表面がある。一実施形態で
は、汚染物質の気化点より高く表面材料の気化点より低い温度まで表面温度を上
げて、汚染物質を蒸発させることによって汚染表面を洗浄化している。
By altering the atomic arrangement of the surface, the composition of the surface, and the topography of the surface, the properties of the coating and similar layers subsequently applied to the surface can be altered. For example, by combining the sealing and smoothing of cracks and pores with the evaporation of impurities, it can be expected to improve the adhesion and inherent properties of a layer applied to the surface by a technique such as sputtering or vapor deposition. As used herein, "surface" means both a nominal two-dimensional surface and a plane of a material, including, for example, near the surface to a depth of about 300 micrometers. Examples of contaminants that can be cleaned from surfaces according to the present invention include, for example, iron surfaces contaminated with hydrocarbons, metal surfaces contaminated with oxides, cemented carbide surfaces contaminated with tin or titanium nitride, and metals. There is a contaminated ceramic surface. In one embodiment, the contaminated surface is cleaned by elevating the surface temperature to a temperature above the vaporization point of the contaminant and below the vaporization point of the surface material to evaporate the contaminant.

【0015】 したがって、汚染物質の気化点以上に表面の温度を上げることにより、表面上
の不要な低気化点の汚染物質を除去することで、他の表面成分を蒸発させること
なく汚染された表面を洗浄化できる。この洗浄方法は、従来の洗浄用溶剤を使用
せずに行える。図2Cに関しては、特に表面材料の気化点より低い気化点を有す
る汚染物質がこの方法で除去できている。例えば、炭化水素汚染物質が一般的に
1000℃未満の気化点であって、鉄は1576℃の融点である。したがって、
炭化水素で汚染された鉄表面は、イオンビームを表面に照射して、炭化水素の気
化点よりは高いが、鉄表面の融点又は気化点よりは低い温度まで表面温度を上げ
ることで、洗浄化できる。即ち、鉄表面を溶かして再び凝固させなくても、炭化
水素汚染物質が除去できる。汚染物質を蒸発させ、鉄表面を溶融させても洗浄化
することができる。汚染物質を蒸発させると、汚染物質と表面材料の混合を促進
させることができる。
Therefore, by raising the surface temperature above the vaporization point of the contaminant, and removing unnecessary low vaporization point contaminants on the surface, the contaminated surface without evaporating other surface components Can be cleaned. This cleaning method can be performed without using a conventional cleaning solvent. Referring to FIG. 2C, in particular, contaminants having a vaporization point lower than that of the surface material have been removed in this manner. For example, iron has a melting point of 1576 ° C, with hydrocarbon contaminants typically having a vaporization point below 1000 ° C. Therefore,
The iron surface contaminated with hydrocarbons is cleaned by irradiating the surface with an ion beam and raising the surface temperature to a temperature higher than the vaporization point of hydrocarbons but lower than the melting point or vaporization point of the iron surface. it can. That is, hydrocarbon contaminants can be removed without melting the iron surface and solidifying it again. Even if the contaminants are evaporated and the iron surface is melted, it can be cleaned. Evaporation of the contaminants can facilitate mixing of the contaminants with the surface material.

【0016】 他の実施形態においては、表面材料の温度を汚染物質と表面材料を溶融させる
のに充分な温度まで上昇させることにより汚染物質と表面材料を少なくとも部分
的に混合させることによって、表面を洗浄化する。液相混合、対流混合、拡散混
合、又は他の混合方法によって表面材料の2つ以上の成分を溶融させることによ
り少なくとも部分的に混合させると、表面が新たな状態になり、混合材料の一つ
による有害効果を和らげることになる。例えば、鉄(融点が1576℃)とクロ
ム(気化点が2665℃)を2000℃に上げることで、両方を溶融させて混合
することができる。この場合、表面の温度が鉄とクロムの気化点より低い限り、
液相混合あるいは対流混合によって、鉄とクロムのどちらの構成成分もと蒸発さ
せずに、両方が溶融され混合される。
In another embodiment, the surface is raised by at least partially mixing the contaminant and the surface material by raising the temperature of the surface material to a temperature sufficient to melt the contaminant and the surface material. Wash. At least partial mixing of two or more components of a surface material by melting, by liquid phase mixing, convection mixing, diffusion mixing, or other mixing methods, results in a new surface and one of the mixed materials Alleviates the harmful effects of For example, by raising iron (melting point is 1576 ° C.) and chromium (vaporizing point is 2665 ° C.) to 2000 ° C., both can be melted and mixed. In this case, as long as the surface temperature is lower than the vaporization point of iron and chromium,
By liquid phase mixing or convective mixing, both components of iron and chromium are melted and mixed without evaporating either component.

【0017】 他の実施形態においては、表面にイオンビームを照射して表面温度を少なくと
も汚染物質ではなく表面材料のうちの少なくとも一つの融点まで上昇させること
によって、表面を少なくとも部分的に洗浄化している。汚染物質のまわりの材料
を溶かすことで、対流的、拡散的、及び/又は他の拡散メカニズムによって材料
と汚染物質が混ざり合う。例えば、高融点温度(温度A)の粒子が少なくとも一部が
低融点温度(温度B)の材料を含む材料の表面にある場合、イオンビームで表面温
度を温度Bより高く温度Aより低い温度まで上げれば、粒子は低融点材料に少なく
とも部分的に混ざる。チリ、含有物、第2相粒子等による物質のような汚染物質
は、溶融され、ビーム加熱終了後の急冷によって固溶体に捕りこまれる。
In another embodiment, the surface is at least partially cleaned by irradiating the surface with an ion beam to raise the surface temperature to at least the melting point of at least one of the surface materials rather than the contaminants. I have. Melting the material around the contaminant mixes the material with the contaminant by convective, diffusive, and / or other diffusion mechanisms. For example, if particles having a high melting point (temperature A) are at least partially on the surface of a material containing a material having a low melting point (temperature B), the ion beam is used to raise the surface temperature to a temperature higher than the temperature B and lower than the temperature A. When raised, the particles at least partially mix with the low melting point material. Contaminants, such as dust, inclusions, and second phase particles, are melted and entrapped in solid solution by rapid cooling after beam heating is complete.

【0018】 他の実施形態では、イオンビームを表面に照射して、汚染物質及び表面材料が
溶けるに十分な温度で且つ表面材料と汚染物質のうちの一つの気化点より高い温
度まで上げることによって、汚染物質を除去し、及び/又は表面材料と汚染物質
が少なくとも部分的に混ざり合うのを潜在的に促進するようにすることで、汚染
された表面を洗浄化している。
In another embodiment, the surface is irradiated with an ion beam to raise the temperature to a temperature sufficient to melt the contaminants and surface materials and above the vaporization point of one of the surface materials and the contaminants. Cleaning the contaminated surface by removing contaminants and / or potentially promoting at least partial mixing of the surface material with the contaminants.

【0019】 汚染物質の除去は、表面のいくつかの特性を変える重大な役割を果たしている
。例えば、表面から酸化物を除去すれば、材料表面の電導率と光反射率が向上す
る。金属酸化物は低電導率を示す傾向があり、表面も鈍くなりがちである。酸化
物を蒸発させて除去するように、パルスイオンビーム処理のパラメータを選択す
ることができる。その結果、表面はほとんど酸化物がなく、概して明るくなり、
通常電導率が高くなる。
The removal of contaminants plays a significant role in changing some properties of the surface. For example, removing oxides from the surface improves the conductivity and light reflectivity of the material surface. Metal oxides tend to exhibit low electrical conductivity and the surface tends to be dull. The parameters of the pulsed ion beam treatment can be selected to evaporate and remove the oxide. As a result, the surface is almost free of oxides and generally brighter,
Normally the conductivity increases.

【0020】 さらに本発明の他の実施形態では、汚染物質を表面の外側境界に向かって移動
するよう誘導することによって、汚染された表面上の分帯を精製している。その
後、移動した汚染物質を表面から除去している。
[0020] In yet another embodiment of the present invention, a zone on a contaminated surface is purified by inducing contaminants to move toward the outer boundary of the surface. Subsequently, the contaminants that have migrated are removed from the surface.

【0021】 分帯精製においては、表面材料の残りの部分以外の、融点等の異なる特性をも
つ汚染物質は、表面材料が照射された材料内の最も深い溶融深さで再凝固した時
に形成されその後表面へ向かって進行する再凝固面に沿って一掃される。その結
果、表面に汚染物質が溜まる。表面では、この汚染物質を蒸発、又はその他の処
理で除去することができる。しかし、汚染物質を表面から取り除かなくても、そ
の下の材料は汚染物質から精製されている。
In zone purification, contaminants with different properties, such as melting points, other than the rest of the surface material, are formed when the surface material resolidifies at the deepest melt depth in the irradiated material. It is then swept away along the re-solidification surface that progresses toward the surface. As a result, contaminants accumulate on the surface. At the surface, this contaminant can be removed by evaporation or other treatment. However, even if the contaminants are not removed from the surface, the underlying material is purified from the contaminants.

【0022】 本発明の更なる実施形態では、層状表面をイオンビームで照射して、表面から
被膜等の層を分離、及び/又は除去している。一実施形態では、分離及び/又は
除去する層は多数の層になっている。
In a further embodiment of the invention, the layered surface is irradiated with an ion beam to separate and / or remove layers such as coatings from the surface. In one embodiment, the layers to be separated and / or removed are multiple layers.

【0023】 層の分離及び/又は除去は、例えば、表面の体積の膨張と収縮による層間剥離
によって達成されるが、その結果、亀裂、機械的分離、及びその他熱サイクルに
よって起こる応力波に伴う現象を引き起こす応力が発生する。熱サイクルは、除
去対象層の下の表面を加熱及び/又は溶融することによって実行可能である。あ
るいは、層の分離及び/又は除去は、所定の層の下の表面材料を蒸発させてその
層とその下の表面材料の間に圧力を発生させ、該層を下の表面から無理やり分離
させてもよい。例えば、入射イオンビームで多層被膜にエネルギーを印加させる
と、チタン外側層の下の亜鉛層が気化点に達するが、チタン外側層は固相又は液
相の状態のままとなる。下にある亜鉛蒸気層の蒸発による圧力がチタン外側層を
亜鉛表面から分離及び/又は除去し、その結果効果的にチタン層を除去できる。
図4では、約1ミクロンの亜鉛層が蒸発し、その上の1ミクロン厚のチタン層が
その気化温度より低い温度で残っている。表面の下で蒸発が先に起こった場合、
上の層が除去されるだけでなく、溶融し、均質化された、次に使用する新たな表
面ができる。外側表面層が気化温度に達する前の部分表面層の蒸発を表す図5に
それを示す。
The separation and / or removal of layers is achieved, for example, by delamination due to the expansion and contraction of the surface volume, resulting in cracks, mechanical separation and other phenomena associated with stress waves caused by thermal cycling. Causes stress. Thermal cycling can be performed by heating and / or melting the surface below the layer to be removed. Alternatively, separation and / or removal of a layer can be accomplished by evaporating a surface material beneath a given layer to create pressure between the layer and the underlying surface material, forcing the layer to separate from the underlying surface. Is also good. For example, when energy is applied to the multilayer coating with an incident ion beam, the zinc layer below the titanium outer layer reaches the vaporization point, but the titanium outer layer remains in a solid or liquid phase. The pressure due to the evaporation of the underlying zinc vapor layer separates and / or removes the titanium outer layer from the zinc surface, thereby effectively removing the titanium layer.
In FIG. 4, about 1 micron of the zinc layer has evaporated, with a 1 micron thick layer of titanium remaining below its vaporization temperature. If evaporation occurs first below the surface,
Not only is the upper layer removed, but a new surface that is melted and homogenized is ready for subsequent use. FIG. 5 shows the evaporation of the partial surface layer before the outer surface layer reaches the vaporization temperature.

【0024】 本発明の他の実施形態では、所定のパルス繰返し率、所定のパルス幅、及び所
定の印加エネルギーのイオンビームで表面を照射して表面を加熱し、粒状の表面
をほぼ変えるのに十分な速度で表面を冷却することによって、結晶質表面を改質
している。本文で使用する際、“結晶質表面”とは、通常、原子又は分子が規則
的空間パターン、結晶配列、又は同様の表面特性状態にある少なくとも一部の領
域を含む表面を指す。本文で使用する際、“結晶質表面”を変える“とは、通常
、原子又は分子の規則的空間パターン、結晶配列又は同様の表面特性を変え、及
び/又は原子又は分子の規則的空間配列が上方に存在する領域の大きさを変える
ことを意味する。
According to another embodiment of the present invention, the surface is heated by irradiating the surface with an ion beam having a predetermined pulse repetition rate, a predetermined pulse width, and a predetermined applied energy to substantially change the granular surface. The crystalline surface is modified by cooling the surface at a sufficient rate. As used herein, "crystalline surface" generally refers to a surface that includes at least some regions where atoms or molecules are in a regular spatial pattern, crystalline arrangement, or similar surface property state. As used herein, "altering a crystalline surface" generally refers to altering the regular spatial pattern of atoms or molecules, the crystalline arrangement or similar surface properties, and / or the regular spatial arrangement of atoms or molecules. This means changing the size of the region located above.

【0025】 本発明の実施形態によれば、溶融後の冷却は100万℃/秒よりも速いため、
急速な溶融及び再凝固によって劇的に粒子径を小さくする。溶融した表面は、ナ
ノ結晶(粒子径は1ミクロンよりもかなり小さい)、又は非晶質(粒子なし)にな
る。期間中150nsのパルスとするような、短イオンビームパルスを使用すれ
ば、これを達成することができる。図2Cに示すように、鋼では108−109
/sより高い冷却速度でできる。粒子を精製すれば、次の被膜のための表面が改
善される。例えば、粒子が精製されることで、表面がより丈夫で、時にはより硬
くなり、機械的応力下で被膜の性能を向上させることになる。
According to an embodiment of the present invention, the cooling after melting is faster than 1 million ° C./sec.
Rapid melting and re-solidification dramatically reduces particle size. The molten surface becomes nanocrystalline (particle size much smaller than 1 micron) or amorphous (no particles). This can be achieved by using a short ion beam pulse, such as a 150 ns pulse during the period. As shown in FIG. 2C, in steel, 10 8 -10 9 K
/ S cooling rate. Purifying the particles improves the surface for the next coating. For example, the refinement of the particles results in a stronger, sometimes harder surface, which improves the performance of the coating under mechanical stress.

【0026】 本発明の別の実施形態では、亀裂、細孔またはその他の低密度形状を有する表
面をその表面に所要のパラメータのパルスイオンビームを照射することによって
改質し、表面の亀裂、細孔またはその他の低密度形状を削減したり除去したりし
てもよい。本文中で使用される場合、「低密度形状」とは、直近の領域よりも少
量の材料からなる形状のことである。
In another embodiment of the invention, a surface having cracks, pores or other low-density features is modified by irradiating the surface with a pulsed ion beam of the required parameters to reduce cracks, fines on the surface. Holes or other low density features may be reduced or eliminated. As used herein, "low-density shape" refers to a shape made of less material than the immediate area.

【0027】 表面を溶融し、その表面が再凝固する前に亀裂や細孔などの低密度形状部分に
液体が流入してその部分を埋めるようにすることで低密度形状を削減したり除去
することが可能である。低密度形状を削減または除去することは、被膜形成用表
面を作成する際の大きな有利点である。例えば、被膜形成用表面の亀裂は被膜の
均一性に欠陥をもたらす恐れがあるとともに、被膜の亀裂による破損を誘引する
機械的応力の発生個所にもなり得る。さらに、亀裂部分に汚染物質が集まる恐れ
もある。その汚染物質汚染個所の上に次に形成される被膜は汚染物質の存在のせ
いで表面への密着性が悪くなるかもしれない。
[0027] Before the surface is melted and the surface is re-solidified, the liquid flows into and fills the low-density features such as cracks and pores, thereby reducing or removing the low-density features. It is possible. Reducing or eliminating low-density features is a significant advantage in creating a film-forming surface. For example, cracks in the coating surface can result in defects in the uniformity of the coating, and can also be locations where mechanical stresses can be induced which can lead to cracking of the coating. In addition, contaminants may collect at the cracks. Subsequent coatings on the contaminant contaminated sites may have poor adhesion to the surface due to the presence of the contaminants.

【0028】 表面の緻密化と表面で繋がる孔隙の除去により、他の材料改質処理の効力を高
めることができる。例えば、表面で繋がる孔隙が存在すると、熱間等静圧圧縮処
理やその他の加圧緻密化処理の効力を低下させる恐れがある。表面で繋がる細孔
は、成形品の内部と外部との間に圧力を均衡にさせる通路を作って、成形品を緻
密化する加圧媒体の能力を低下させることになる。細孔の表面を封止することに
より、圧力差の発生が可能になり、したがって成形品の緻密化も実現される。細
孔封止のもう一つの利点は、成形品外部から内部に腐食剤が捕り込まれたり浸透
するのを防止して表面の耐食性を向上させる点である。
By densifying the surface and removing pores connected to the surface, the effectiveness of other material modification treatments can be increased. For example, if there are pores connected on the surface, the effectiveness of hot isostatic pressing or other press densification may be reduced. The pores that connect at the surface create a passage that balances pressure between the interior and exterior of the molded article, reducing the ability of the pressurized medium to densify the molded article. By sealing the surface of the pores, it is possible to generate a pressure difference, and therefore, it is also possible to realize densification of the molded product. Another advantage of pore sealing is that the corrosion resistance of the surface is improved by preventing the corrosive agent from being trapped or penetrating from the outside to the inside of the molded article.

【0029】 また、表面の緻密化と亀裂の除去により、材料の疲労寿命を延ばすことができ
る。亀裂はそれ自体が疲労環境内で広がったり延びたりする恐れのある個所とし
てよく知られている。そのような欠陥の広がりは結果的に割れや塑性変形による
成形品の破壊にまで到る可能性がある。イオンビーム処理によってそのような形
状をなくしたりその数や大きさを削減することにより、材料の疲労寿命を延ばす
ことができる。
The fatigue life of the material can be extended by densifying the surface and removing cracks. Cracks are well known as places where they can spread and grow in a fatigue environment. The spread of such defects can eventually lead to cracks and breakage of the molded article due to plastic deformation. Eliminating or reducing the number and size of such shapes by ion beam processing can increase the fatigue life of the material.

【0030】 亀裂や細孔などの低密度形状を多数有する特徴をもつ表面の緻密化は、パルス
イオンビーム照射と、前処理「ショットピーニング」やその他加工材料の液相へ
の溶融と流動によって表面をより完全かつ容易に封止するようにして亀裂や細孔
の大きさを小さくする類似技術とを組み合わせることによって、向上させること
が可能である。
The densification of a surface having many low-density shapes such as cracks and pores is achieved by irradiation with a pulsed ion beam, pretreatment “shot peening”, and melting and flowing of a processing material into a liquid phase. Can be improved by combining it with a similar technique that makes the size of cracks and pores more complete and easier to seal.

【0031】 本発明のさらに別の実施形態では、所定パルス繰返し率と所定パルス幅と所定
印加エネルギーを有するイオンビームを表面に照射することにより、表面の地形
や空間勾配を変える。本文中で使用される場合、「地形」という用語は表面の起
伏とその形状の位置とを含む表面構成を意味する。「空間勾配」という用語は表
面上の隣接する形状や材料の相対位置の変化率を意味する。
In still another embodiment of the present invention, the surface is irradiated with an ion beam having a predetermined pulse repetition rate, a predetermined pulse width, and a predetermined applied energy to change the topography and spatial gradient of the surface. As used herein, the term "terrain" refers to a surface configuration that includes the relief of a surface and the location of its shape. The term "spatial gradient" refers to the rate of change of the relative position of adjacent shapes or materials on a surface.

【0032】 表面の溶融や蒸発等の熱サイクルにより、粗面化、平滑化、模様付け等の様々
な方法で表面の地形的特徴を変えることが可能である。本発明の実施形態には、
表面温度を表面上の少なくとも一つの材料の融点よりも上昇させること、表面温
度を表面の気化点より低い点まで上昇させること、表面材料をほとんど除去させ
ることなく表面温度を上昇させること、表面温度を表面上の少なくとも一つの材
料の気化点よりも高い点まで上昇させることなどが含まれる。例えば、触媒の表
面は改質により表面積を増加させ結晶粒構造を微細化することができる。表面地
形と微細構造の変化は前から存在する表面の触媒材料を急速に溶融および再凝固
させること、蒸発させること、蒸発および再凝縮させることなどによって達成可
能である。このような変化により、触媒の活性を向上させることができる。
By a thermal cycle such as melting or evaporating the surface, it is possible to change the topographical features of the surface in various ways, such as roughening, smoothing and patterning. In an embodiment of the present invention,
Increasing the surface temperature above the melting point of at least one material on the surface, increasing the surface temperature to a point below the vaporization point of the surface, increasing the surface temperature with little removal of the surface material, surface temperature To a point above the vaporization point of at least one material on the surface. For example, the surface of the catalyst can be increased in surface area by reforming to refine the grain structure. Changes in surface topography and microstructure can be achieved by rapidly melting and resolidifying, evaporating, evaporating and recondensing the pre-existing surface catalyst material, and the like. Such a change can improve the activity of the catalyst.

【0033】 表面の少なくとも一部を平坦にすることにより、表面を平滑化して空間勾配を
小さくし、その名目上の表面より突出する凸部を削減もしくはほぼ除去すること
が可能である。ばり等の凸部を削減もしくはほぼ除去することができる。溶融と
再凝固のサイクルを多数回採用することにより、溶融深さよりも遥かに大きなば
りや表面構造を削減もしくは除去することができる。また、蒸発によっても、凸
部を削減もしくは除去することができる。材料の名目上の表面より突出する凸部
は、続いて施される被膜を不均一にするとともに、この比較的に機械的強度が弱
く被覆された突出構造が例えば摩耗環境で別の表面に接触して剥離した時に被膜
に亀裂を発生させる。上記方法は表面材料を取り除くことなく平坦化を可能にし
て、処理された表面の全体寸法を保持することができる。
By flattening at least a part of the surface, it is possible to smooth the surface and reduce the spatial gradient, and reduce or substantially eliminate the protrusions protruding from the nominal surface. Protrusions such as burrs can be reduced or almost eliminated. By employing multiple cycles of melting and resolidification, burrs and surface structures that are much larger than the melting depth can be reduced or eliminated. Also, the projections can be reduced or removed by evaporation. Protrusions that protrude from the nominal surface of the material make the subsequently applied coating non-uniform, and this relatively weak mechanically coated protruding structure contacts another surface, for example, in a wear environment. Cracks occur in the coating when peeled off. The above method allows for planarization without removing surface material and can preserve the overall dimensions of the treated surface.

【0034】 本発明は、表面を平滑化して名目上の表面より低い凹部を削減もしくはほぼな
くす場合にも適用可能である。本文中で使用される場合、「凹部」という用語は
表面の名目上の平均位置から入り込んだ領域を意味する。凹部、特に高い空間勾
配を有するくぼみを埋める等してなくしたり部分的に平滑化することによって、
次に施される被膜の密着性が高められる。これは、表面のくぼみが応力集中、被
膜の欠陥または不均一、被膜の亀裂や剥離による早期破壊を招く恐れがあるから
である。このような応力集中の低減、表面勾配の低減および表面品質の向上によ
り、未被覆表面の寿命を延ばすことができる。図6は、本発明の方法にしたがっ
て処理され表面の凸部及び凹部の差異性、あるいは、高い空間勾配が低減された
表面を示している。
The present invention is also applicable where the surface is smoothed to reduce or substantially eliminate recesses below the nominal surface. As used herein, the term "recess" refers to the area penetrated from the nominal average position of the surface. By eliminating or partially smoothing out depressions, especially depressions with high spatial gradients,
The adhesion of the film to be subsequently applied is enhanced. This is because surface depressions can lead to stress concentration, defects or non-uniformity of the coating, and early destruction due to cracking or peeling of the coating. Such reduction of stress concentration, reduction of surface gradient, and improvement of surface quality can extend the life of the uncoated surface. FIG. 6 shows a surface that has been treated according to the method of the present invention and has reduced surface differences and high spatial gradients.

【0035】 さらに、地形の平滑化は表面の摩擦特性と光学的特性に大きな影響を及ぼすこ
とができる。表面が平滑であるほど、隣接する表面との摺接時に摩擦力の低い表
面になる。また、平滑な表面は反射光の増加をもたらすとともに光の鏡面反射を
増大させることになる。
Furthermore, smoothing of the terrain can have a significant effect on the frictional and optical properties of the surface. The smoother the surface, the lower the frictional force when sliding against the adjacent surface. Also, a smooth surface will increase the reflected light and increase the specular reflection of the light.

【0036】 本発明は表面の粗面化にも適用可能である。本文中で使用する際、、「粗面化
する」という用語は凸部の大きさを名目上の表面より高く形成したり増加させる
ことを意味する。そのような凸部の例として、鋭い尖塔状物がある。この方法の
長所の一つは、図3B、図3C及び図6に示すように、表面を材料を除去するこ
となく粗くできることである。粗面化は、熱サイクルによる体積変化、三次元効
果、不均一な熱の流れ、再凝固時の表面張力などの効果の組合せから生じる。図
3bに、銅表面に形成された波状構造または位相の例を示す。
The present invention is also applicable to surface roughening. As used herein, the term "roughen" refers to forming or increasing the size of the protrusions above the nominal surface. An example of such a protrusion is a sharp spire. One of the advantages of this method is that the surface can be roughened without removing material, as shown in FIGS. 3B, 3C and 6. Roughening results from a combination of effects such as volume change due to thermal cycling, three-dimensional effects, uneven heat flow, and surface tension during resolidification. FIG. 3b shows an example of a wavy structure or phase formed on a copper surface.

【0037】 地形の変化の度合いは、処理時の溶融深さを調節することによって調節可能で
ある。溶融深さを小さくすることにより、より平滑な表面を作ることができる。
溶融深さは、表面に印加されるエネルギーを加減することにより調節可能である
。図2C及び図2Dに示すように、印加エネルギーが低いほど、溶融深さが小さ
くなる。体積膨張の影響は、処理対象材料を予熱することにより最小限に抑える
ことができる。これにより、表面層とその下層のイオンビームにより生じた熱サ
イクルにそれ程影響されない未処理材料との間の冷却時の局所温度変化を抑える
ことができる。
The degree of terrain change can be adjusted by adjusting the melt depth during processing. By reducing the melt depth, a smoother surface can be created.
The melt depth can be adjusted by adjusting the energy applied to the surface. As shown in FIGS. 2C and 2D, the lower the applied energy, the smaller the melting depth. The effect of volume expansion can be minimized by preheating the material to be processed. As a result, it is possible to suppress a change in local temperature during cooling between the surface layer and the unprocessed material that is not significantly affected by the thermal cycle caused by the ion beam below the surface layer.

【0038】 一実施形態においては、表面の温度をその表面上の少なくとも一つの材料の気
化点より高い点まで上昇させて表面を粗面化させる。表面の急速な蒸発は、温度
やその他のエネルギー状態で特徴付けられる速度で表面を離れる加熱材料により
生じた反力により材料内に応力波を発生させることができる。時には、材料表面
がすでに液相になっている場合もある。まだ表面が溶融している状態で応力波が
表面に衝突すると、材料を飛散させて表面から放出させることができる。材料の
飛散によって生じた表面形状は、急速な再凝固により冷却させることができる。
多数回のパルスの間に表面の材料を急速に蒸発させることにより、表面上の蒸発
材料が再凝縮して、気相もしくは液相からの急冷により到達した状態の急速に再
凝固した、微粒子材料またはアモルファス材料の表面を非常に粗い表面に形成す
ることができる。
In one embodiment, the surface is roughened by increasing the temperature of the surface to a point above the vaporization point of at least one material on the surface. Rapid evaporation of a surface can generate stress waves in the material due to the reaction forces created by the heated material leaving the surface at a rate characterized by temperature and other energy states. At times, the material surface may already be in the liquid phase. If the stress wave collides with the surface while the surface is still molten, the material can be scattered and released from the surface. The topography created by the scattering of material can be cooled by rapid resolidification.
Rapidly evaporating the material on the surface during a number of pulses, causing the evaporated material on the surface to re-condense and rapidly re-solidify as reached by quenching from the gas or liquid phase. Alternatively, the surface of the amorphous material can be formed with a very rough surface.

【0039】 表面の初期構造によっては、再度のエネルギー印加によって鋭い尖塔状物を作
ることが可能である。材料と入射ビームエネルギーとパルス回数次第で、その尖
塔状物の構造を元の表面よりかなり高く突出するように成長させることが可能で
ある。図7に、そのような(1平方センチメートル当たり4〜8ジュールのエネ
ルギー準位で数100回のパルスを使って形成された)表面を示す。あるいは、
図3cに、1平方センチメートル当たり2〜4ジュールで40回のパルスを使っ
て形成されたこぶや尖塔状物を含む表面を示す。これらの粗面構造は、電界が印
加されたときに電子を放出する電界増加点として使用できるなど、多数の利点を
もたらす。図3cに、蒸発が重要とされる表面粗面化の一例を示す。図7に示す
ように、表面を繰り返し融蝕することによっても、表面上に鋭い尖塔状物を形成
することができる。
Depending on the initial structure of the surface, it is possible to produce a sharp spire by reapplying energy. Depending on the material, the incident beam energy and the number of pulses, the spire structure can be grown to protrude significantly above the original surface. FIG. 7 shows such a surface (formed using hundreds of pulses at an energy level of 4 to 8 joules per square centimeter). Or,
FIG. 3c shows a surface including bumps and spikes formed using 40 pulses at 2-4 joules per square centimeter. These rough structures provide a number of advantages, such as being able to be used as an electric field increase point that emits electrons when an electric field is applied. FIG. 3c shows an example of surface roughening where evaporation is important. As shown in FIG. 7, a sharp spire can be formed on the surface by repeatedly ablating the surface.

【0040】 表面粗面化は、露出表面積を増大させる、次に施される層のために機械的に結
合する部位を多くする、より多くの摩擦あるいはより少ない摩擦を可能にする様
々な表面地形を作る等、幾つかの長所をもたらす。それにより、潤滑性が制御可
能になるとともに、周囲の電界を増加させる地形を有する点の形成が可能になり
、その点からの電界放出が容易になる。この表面作成能力はむき出しの表面にと
っても被覆された表面にとっても重要になる。表面が次の被膜形成加工に備えて
作成されている場合、表面が粗いほど、被膜が接合可能な表面積を多くするとと
もに表面に対する被膜の機械的結合を強くすることができる。被覆されていない
表面の場合でも被覆された表面の場合でも、粗面化あるいは模様付けされた表面
は、潤滑剤が集まる位置を確保して使用時により長期間高い減摩能力を奏するこ
とができる。
Surface roughening increases the exposed surface area, increases the number of mechanically bonded sites for subsequently applied layers, various surface topography that allows more or less friction And brings several advantages. Thereby, the lubricity can be controlled, and a point having a topography that increases the surrounding electric field can be formed, and the field emission from that point can be facilitated. This ability to create surfaces is important for both bare and coated surfaces. If the surface is prepared for the next coating process, the rougher the surface, the more surface area the coating can bond to and the greater the mechanical bonding of the coating to the surface. Roughened or textured surfaces, whether uncoated or coated, can provide lubrication gathering points and provide higher anti-friction performance for extended periods of use. .

【0041】 さらに、表面模様付けにより、表面の電子特性及び化学的特性を変化させるこ
とも可能である。本発明を表面の平滑化のために使用する場合、電界を増加させ
る形状の個体数の減少により、電子を放出することなく強い電界の存在に耐え得
る表面の能力を高めることができる。また、表面の粗さを低下させることにより
、腐蝕剤に晒される材料の量を低減することができる。他方、表面を粗面化する
ことにより、電界が存在する場合に電子を放出する表面の傾向を強めるとともに
、表面積を増加させて表面の化学反応性を高めることができる。
In addition, it is also possible to change the electronic and chemical properties of the surface by texturing the surface. When the present invention is used for surface smoothing, the ability of the surface to withstand the presence of a strong electric field without emitting electrons can be increased by reducing the number of individuals that increase the electric field. Also, by reducing the surface roughness, the amount of material exposed to the corrosive can be reduced. On the other hand, by roughening the surface, the tendency of the surface to emit electrons in the presence of an electric field can be enhanced, and the surface area can be increased to increase the chemical reactivity of the surface.

【0042】 またさらに、表面模様付けによれば、表面平滑化によっても表面粗面化によっ
ても、表面の光学的特性を変化させることができる。すなわち、表面が粗いほど
、表面をより反射しにくく、より鏡面状でなく、より拡散的にすることができ、
表面が平滑であるほど、表面をより反射的で、より鏡面状で、より拡散しにくく
することができる。特に、溶融温度を超えるレベル(通常2ないし10J/cm 2 のエネルギー範囲)での加工は表面を輝かせ反射的にすることができる。
Further, according to the surface patterning, the surface is smoothed and the surface is roughened.
Even so, the optical characteristics of the surface can be changed. That is, the rougher the surface
, Can make the surface less reflective, less mirror-like, more diffuse,
The smoother the surface, the more reflective, more specular and less diffuse the surface
can do. In particular, the level exceeding the melting temperature (usually 2 to 10 J / cm Two In the energy range of), the surface can be made shiny and reflective.

【0043】 本発明の別の実施形態では、所要パラメータを有するイオンビームを表面に照
射することにより、表面をその融点より低い温度まで上昇させる。その表面は、
層、部分層、別々の混合領域または島として存在し得る一つまたは複数の個別構
成材料からなっていてもよい。
In another embodiment of the invention, the surface is raised to a temperature below its melting point by irradiating the surface with an ion beam having the required parameters. Its surface is
It may consist of one or more individual constituent materials, which may be present as layers, sub-layers, separate mixed zones or islands.

【0044】 いずれの成分の融点よりも低い温度での熱サイクルによって混合材料等いかな
る材料を処理した場合も、硬度と圧縮応力の増大に至る転位と、材料、特に様々
な熱膨張係数を持つ混合材料の熱膨張及び熱収縮に起因するその他の効果を発生
させることができる。融点より低い温度での加熱により、被処理材料の機械的、
電気的、化学的特性及びその他の特性を変化させ得る結晶相変化過程あるいは他
の固相過程を用いて原子の固相転位を起こすことができる。
When any material, such as a mixed material, is processed by thermal cycling at a temperature lower than the melting point of any of the components, dislocations leading to an increase in hardness and compressive stress, as well as mixing of the material, especially those having various coefficients of thermal expansion, Other effects due to thermal expansion and contraction of the material can be generated. By heating at a temperature lower than the melting point, mechanical and
Solid phase rearrangement of atoms can occur using a crystal phase change process or other solid phase process that can change electrical, chemical and other properties.

【0045】 本発明のさらに別の実施形態では、少なくとも二つの構成材料からなる表面を
少なくとも一つの構成材料の融点を越える温度まで上昇させることにより改質さ
せる。少なくとも一つの構成材料の融点を越える温度での熱サイクルによる混合
材料の処理により、溶融材料の粒径の減少、溶融材料内の微細構造欠陥の増加、
より高融点の材料の溶融材料への部分溶解、(溶体化、再析出または同様の効果
による)溶融材料の特性の変化など、様々な有益な効果をもたらすことができる
。部分的に溶解されたより高融点の材料の一部を再析出することは、この効果の
一つの具体例となる。
In yet another embodiment of the present invention, the surface comprising at least two components is modified by increasing the temperature to above the melting point of at least one component. The processing of the mixed material by thermal cycling at a temperature above the melting point of at least one component material reduces the particle size of the molten material, increases microstructure defects in the molten material,
A variety of beneficial effects can be provided, such as partial melting of the higher melting material into the molten material, altering the properties of the molten material (by solution, re-deposition or similar effects). Redepositing a portion of the higher melting material that has been partially dissolved is one embodiment of this effect.

【0046】 図8に示すように、本発明にしたがって、6%コバルト結合剤とのタングステ
ン超硬合金材料を2J/cm2で処理した。この処理により、タングステンカー
バイト粒子を溶融させることなくコバルト結合剤を溶融させた。切断試験におい
て、この処理により、鋳造アルミニウム合金切断用に使用されるタングステン超
硬バイトの寿命を60%延ばすことができた。これは、コバルトの細粒化、タン
グステンカーバイトの結合剤への部分溶解、材料の冷却時や続く後処理加熱時に
溶体化された成分の再析出が可能であること等、タングステンカーバイト粒子を
溶融させることなくコバルト結合剤を溶融させたことに起因する効果の組合せに
よるものであると言ってもよい。
As shown in FIG. 8, according to the present invention, a tungsten cemented carbide material with 6% cobalt binder was treated at 2 J / cm 2 . This treatment melted the cobalt binder without melting the tungsten carbide particles. In a cutting test, this treatment was able to extend the life of a tungsten carbide tool used for cutting a cast aluminum alloy by 60%. This is because tungsten carbide particles can be refined by refining cobalt, partially dissolving tungsten carbide in a binder, and reprecipitating the solutionized components during cooling of the material and subsequent post-heating. It may be said that this is due to a combination of effects caused by melting the cobalt binder without melting.

【0047】 本発明のさらに別の実施形態では、第1の融点を有する第1の構成材料から表
面を構成し、その表面に対して第2の融点を有する第2の構成材料を加え(第1
の融点は第2の融点より低い)、第1の融点より高いかあるいはそれと同じ温度
でかつ第2の融点より低い温度まで表面温度を上昇させることにより表面を改質
する。
In yet another embodiment of the present invention, a surface is constructed from a first component having a first melting point, and a second component having a second melting point is added to the surface (the second component). 1
Is lower than the second melting point), the surface is modified by raising the surface temperature to a temperature higher than or equal to the first melting point and lower than the second melting point.

【0048】 この方法は表面に対して、その元の表面より高融点の材料等、他の材料を混ぜ
込むために使用可能である。例えば、表面を溶融し、ビーム内イオンの範囲の数
倍大きい寸法の微粒子をその粒子の全体あるいは一部を溶融するかまたは加熱の
み行って微粒子を表面に少なくとも部分的に接合させるようにして、表面に微粒
子を混ぜ込むことができる。この方法はセラミックを金属にまたは金属をセラミ
ックに混ぜ込んで表面の電子特性を変えるために使用可能である。例示として、
金属を絶縁体や半導体の表面に混ぜ込んで、電子の放電破壊電圧を低下させると
ともに表面の平均電子放出率を上昇させることができる。この効果を多数回のパ
ルスまで広げることにより、上記微粒子からなる材料を表面に完全または部分的
に混ぜ込んで合金表面を形成することができる。この効果は、新たな微粒子材料
を繰り返し加えることにより、表面上に新材料を所望の深さまで付着させるため
に使用可能である。この技術を利用して、溶着被膜を表面材料に混ぜ込むことも
できる。
The method can be used to incorporate another material into the surface, such as a material with a higher melting point than the original surface. For example, by melting the surface, a fine particle having a size several times as large as the range of ions in the beam is melted by heating all or a part of the particle or only by heating, so that the fine particle is at least partially bonded to the surface, Fine particles can be mixed into the surface. The method can be used to mix ceramic with metal or metal with ceramic to change the electronic properties of the surface. As an example,
By mixing a metal with the surface of an insulator or a semiconductor, the discharge breakdown voltage of electrons can be reduced and the average electron emission rate of the surface can be increased. By extending this effect to a large number of pulses, the material composed of the fine particles can be completely or partially mixed with the surface to form an alloy surface. This effect can be used to deposit new material to the desired depth on the surface by repeatedly adding new particulate material. Utilizing this technique, the weld coating can also be incorporated into the surface material.

【0049】 様々な融点を有する混合材料の処理は新素材を創造するために使用可能である
。例えば、イオンビームは、それぞれ異なる融点を有する材料からなる混合粉末
を溶融して溶融結合材料を作ったり、粉末混合物の構成成分の少なくとも一つを
溶融させることにより部分合金材料や完全合金材料を作るために使用可能である
。この技術の一実施形態は混合粉末材料の溶融である。新たな粉末を繰り返し加
え、混合粉末の少なくとも一つの構成成分を溶融して結合材料を作ることにより
、所望の深さの新合金層を形成することができる。これらの層は、下層材料や上
層材料との界面を溶融させることによりこれらの材料に結合させることも可能で
ある。
Processing of mixed materials with different melting points can be used to create new materials. For example, an ion beam melts mixed powders, each having a different melting point, to form a fused joint material, or melts at least one of the components of the powder mixture to form a partial alloy material or a complete alloy material. Available for use. One embodiment of this technique is the melting of a mixed powder material. By repeatedly adding new powder and melting at least one component of the mixed powder to form a bonding material, a new alloy layer of a desired depth can be formed. These layers can also be bonded to these materials by melting the interface with the lower or upper material.

【0050】 本発明のさらに別の実施形態では、層と表面との間の界面に所要パラメータを
有するイオンビームを照射することにより積層面を少なくとも部分的に混合させ
る。隣接層間の融点の差は、上層を溶融させてもさせなくても、低い方の融点で
下層を溶融させることにより両層を混合もしくは結合させるために使用可能であ
る。層と表面との間の界面を完全に混合させることも部分的に混合させることも
できる。界面の完全な混合と均質化が達成できなくても、部分的な混合により、
高い空間勾配を有する明らかな境界線のない漸変界面になる。そうでなければ、
亀裂等の機械的欠陥、異種金属間接触腐食、その他有害な影響にとって好ましい
部位が存在することになる。
In yet another embodiment of the present invention, the interface between the layer and the surface is irradiated with an ion beam having the required parameters to at least partially mix the stack surfaces. The difference in melting points between adjacent layers can be used to mix or bond the two layers by melting the lower layer at the lower melting point, with or without melting the upper layer. The interface between the layer and the surface can be completely or partially mixed. Even if complete mixing and homogenization of the interface cannot be achieved, partial mixing
It results in a graded interface with no apparent boundaries with a high spatial gradient. Otherwise,
There will be sites that are favorable for mechanical defects such as cracks, dissimilar metal corrosion, and other harmful effects.

【0051】 本発明のさらに別の実施形態では、析出物を有する表面を再析出させることに
より表面を改質する。すなわち、一定の加速電圧、回転速度対軸方向速度比、パ
ルス幅、イオン種組成および印加エネルギー準位を有するパルスイオンビームを
表面に照射する。
In yet another embodiment of the present invention, the surface is modified by redepositing the surface with the precipitate. That is, the surface is irradiated with a pulsed ion beam having a constant acceleration voltage, a rotational speed to axial speed ratio, a pulse width, an ion species composition, and an applied energy level.

【0052】 例として、17−4PHステンレス鋼を上記の方法により硬化させた。すなわ
ち、未処理のステンレス鋼はヌープ(100g負荷)硬度の測定値が414であ
った。処理後、硬度は282まで低下した。このことは恐らく上記の処理により
析出硬化材料の硬度を上昇させるために存在していた既存の析出物が溶解された
からである。500℃で2時間の後処理加熱または焼戻しを行った後、硬度は5
30まで上昇した。この硬度上昇は、元来存在していたものより微細な粒状析出
物が再析出して硬度を上昇させたからであると思われる。本発明は材料の表面近
傍領域を熱サイクルにかけて転位を発生させるためにも適用可能である。そのよ
うな熱サイクルは応力波を発生させ、材料、特に、金属内に転位を発生させる。
このような転位は、硬度を上昇させ、多くの用途において有益になる残留圧縮応
力をもたらす。これを実現するために上記の方法を使用することにより、表面処
理によって疲労の問題と摩耗を減少させて寿命を延ばすことが可能になる。
As an example, 17-4PH stainless steel was hardened by the method described above. That is, the untreated stainless steel had a Knoop (100 g load) hardness measurement of 414. After the treatment, the hardness dropped to 282. This is probably due to the dissolution of the existing precipitates that were present to increase the hardness of the precipitation hardened material by the above treatment. After 2 hours of post-treatment heating or tempering at 500 ° C., the hardness is 5
It has risen to 30. This increase in hardness is presumably due to the re-precipitation of finer granular precipitates than originally present, which increased the hardness. The present invention is also applicable to generating a dislocation by subjecting a region near the surface of a material to a thermal cycle. Such thermal cycling generates stress waves and generates dislocations in the material, especially the metal.
Such dislocations increase hardness and result in residual compressive stresses that are beneficial in many applications. By using the above method to achieve this, the surface treatment can reduce fatigue problems and wear and extend life.

【0053】 本発明の方法によれば、混合材料の少なくとも一つの構成材料を除去すること
によって下層材料に影響を及ぼすことなく混合材料を分離させることが可能であ
る。これは、選択蒸発及び/または選択解離により実現される。サーメット、複
合材料、金属間化合物、合金及びそれらに類似の物質等、多くの材料は熱サイク
ルに対してそれぞれ異なった反応をする異なる成分を含む混合物からなっている
。これらの材料は、異なる成分間の気化点の差と融点の差に基づいた選択蒸発又
は選択解離により分離可能である。
According to the method of the present invention, it is possible to separate the mixed material without affecting the underlying material by removing at least one constituent material of the mixed material. This is achieved by selective evaporation and / or selective dissociation. Many materials, such as cermets, composites, intermetallics, alloys, and the like, consist of mixtures containing different components that each react differently to thermal cycling. These materials can be separated by selective evaporation or dissociation based on differences in vaporization points and melting points between different components.

【0054】 図9(Al/Al2O3処理)は本発明による混合材料分離方法を説明するものである
。図9は、アルミニウム蒸発の影響によって粗い表面を残しながら、アルミニウ
ム混合物またはアルミナ混合物からアルミニウムを分離した状態を示している。
入射イオンビーム種、エネルギー及び強度を選択することにより、処理材料の温
度を選択してより高気化点の材料を蒸発させずに低気化点の成分を蒸発させるこ
とができる。この効果は、下層材料に影響を及ぼすことなく表面を転位させるた
めに使用できる。これは、転位する材料が被膜である場合に有利であり、下地は
上記の処理によってほとんど変化しないことが望ましい。
FIG. 9 (Al / Al 2 O 3 treatment) illustrates a mixed material separation method according to the present invention. FIG. 9 shows a state in which aluminum has been separated from an aluminum mixture or an alumina mixture while leaving a rough surface under the influence of aluminum evaporation.
By selecting the type, energy and intensity of the incident ion beam, the temperature of the processing material can be selected to evaporate components at lower vaporization points without evaporating material at higher vaporization points. This effect can be used to displace the surface without affecting the underlying material. This is advantageous when the dislocation material is a film, and it is desirable that the underlayer hardly changes by the above-described processing.

【0055】 本発明のさらに別の実施形態は、第1の構成材料と第2の構成材料からなる表
面を第1の構成材料を少なくとも部分的に除去するのに充分な温度まで上昇させ
ることにより、表面を改質する技術に関するものである。
[0055] Yet another embodiment of the present invention provides that the surface comprising the first and second components is raised to a temperature sufficient to at least partially remove the first component. And a technique for modifying the surface.

【0056】 低融点側の成分を除去することにより地形を変化させることができる。図10
a及び図10bは異なる硫黄(440℃の低気化点材料)含有率の2種類のステ
ンレス鋼表面に対する処理を示す。硫黄は遊離硫黄として合金中に存在してもよ
いし、別の元素と結合して硫化物を形成してもよい。図10a及び図10bの場
合、その表面はそれぞれ303ステンレス鋼と304ステンレス鋼のものである
。両表面とも1平方センチメートル当たりほぼ2.5ジュールで処理した。この
処理による熱サイクルを図11に示す。303材料上に形成された粗い表面は、
高い硫黄含有率のせいで303材料中の低気化点材料が蒸発したことを示した。
304材料の硫黄含有率は、処理された表面がはるかに平滑であったので、はる
かに低いものである。
The topography can be changed by removing components on the low melting point side. FIG.
10a and 10b show the treatment on two stainless steel surfaces with different sulfur (440 ° C. low vaporization point material) content. The sulfur may be present in the alloy as free sulfur or may combine with another element to form a sulfide. 10a and 10b, the surfaces are of 303 stainless steel and 304 stainless steel, respectively. Both surfaces were treated at approximately 2.5 joules per square centimeter. FIG. 11 shows a heat cycle by this processing. The rough surface formed on the 303 material
The low sulfur point material in the 303 material was shown to have evaporated due to the high sulfur content.
The sulfur content of the 304 material is much lower because the treated surface was much smoother.

【0057】 蒸発又は解離によって粗い表面または模様付表面を形成することにより、様々
な外観、様々な摩擦係数と潤滑性、様々な摩耗特性と疲労特性及び化学的活性率
を含む様々な化学的特性を有する表面を作り上げることができる。この効果は、
様々な孔隙率を有する表面や膜を形成するために使用可能である。さらに、電界
が印加されたときに電子を放出する電界増加点として使用可能な粗い表面構造を
形成することもできる。これは、本文中に記載した他の表面粗面化技術を用いて
も実現可能である。構成元素に解離することによって熱サイクルに反応する材料
(例えば、TiN)も、その解離により同様の効果をもたらすことができる。本発
明の方法は、表面から解離可能材料を除去したり、さらに高温に達しない限り解
離したり蒸発したりしない他の材料からなる素地から解離可能材料を除去するた
めに使用可能である。解離可能成分の除去は、蒸発を用いた場合の上述の効果と
同じ効果を得るために使用可能である。
By forming a rough or textured surface by evaporation or dissociation, different chemical properties including different appearances, different coefficients of friction and lubricity, different wear and fatigue properties and chemical activity rates Surface can be created. This effect
It can be used to form surfaces and films with various porosity. Further, a rough surface structure that can be used as an electric field increasing point that emits electrons when an electric field is applied can be formed. This can also be achieved using other surface roughening techniques described in the text. A material that reacts to a thermal cycle by dissociating into constituent elements (eg, TiN) can also provide a similar effect due to the dissociation. The method of the present invention can be used to remove dissociable material from a surface or from a substrate consisting of other materials that do not dissociate or evaporate unless a high temperature is reached. Removal of the dissociable components can be used to achieve the same effect as described above when using evaporation.

【0058】 蒸発材料または解離材料が残存する材料に再度溶着され混合される混合化ある
いは合金化は、形成される表面の表面特性に影響を及ぼすことがある。
Mixing or alloying, in which the evaporating or dissociating material is re-welded and mixed with the remaining material, can affect the surface properties of the formed surface.

【0059】 表面は、本発明を使用して材料を表面の一部に添加し、ビームを利用してその
新たな材料を表面に溶融結合させることによって修復することもできる。この技
術は、損傷した表面や不完全な表面を修復するためにも使用可能である。新たな
材料と元の下層材料を溶融することにより、新たな材料が液相拡散、あるいは、
対流混合により結合されることになる。これにより、層間剥離に耐える漸変界面
が生じる。さらに、材料の1つだけが溶融することにより、新たな材料の拡散結
合を向上させるとともに密着性を向上させることになる。結合対象の別の材料よ
りも容易に溶融する第3の材料を使用すれば、多層の複合材料の結合性を高める
ことができる。
A surface can also be repaired using the present invention by adding material to a portion of the surface and using a beam to melt bond the new material to the surface. This technique can also be used to repair damaged or imperfect surfaces. By melting the new material and the original lower layer material, the new material will undergo liquid phase diffusion, or
It will be coupled by convective mixing. This creates a graded interface that resists delamination. Furthermore, melting only one of the materials will improve the diffusion bonding of the new material and improve the adhesion. Use of a third material that melts more easily than another material to be bonded can enhance the bonding of the multilayer composite material.

【0060】 本発明の実施形態は粉末材料から形成された表面を改質するのに非常に適して
いる。粉末治金での使用は、均質化、洗浄化、並びに、本発明が図6の金属射出
成形品の改良に示すように実現可能な加熱及び/または溶融、液相結合と混合、
表面模様付け、細粒材料の形成による平滑化、緻密化及び硬化から恩恵を得るこ
とになる。混合材料を処理する技術は、粉末材料や金属や非金属での使用にも非
常に適している。
[0060] Embodiments of the present invention are well suited for modifying surfaces formed from powdered materials. Use in powder metallurgy includes homogenization, cleaning, and heating and / or melting, liquid phase bonding and mixing, which the present invention can achieve as shown in the improvement of the metal injection molding of FIG.
It will benefit from surface texturing, smoothing, densification and hardening by the formation of fine-grained material. Techniques for processing mixed materials are also well suited for use with powdered materials and metals and non-metals.

【0061】 本発明の方法は、ポリマー表面にイオンを注入するためにも使用可能である。
これにより、硬度の上昇、透磁率の減少、導電率の上昇等の利点がもたらされる
。この方法の使用により、ポリマー表面の処理に関して特有の利点も幾つかもた
らすことになる。すなわち、 (1) 短い(<1ms)パルスを使用した処理により、表面がポリマーに損
傷を与えるのに充分高い温度にある時間を短縮させる。したがって、より強いイ
オン強度を使用してより速い処理を実現できる。
The method of the present invention can also be used to implant ions into a polymer surface.
This provides advantages such as increased hardness, reduced magnetic permeability, and increased electrical conductivity. The use of this method also offers some unique advantages for treating polymer surfaces. (1) Treatment with short (<1 ms) pulses reduces the time the surface is at a temperature high enough to damage the polymer. Therefore, faster processing can be realized using stronger ionic strength.

【0062】 (2) 短いパルスを利用した処理により、連続する長期間の処理のために標
準的な許容最高処理温度を超えることによる損傷を低減させることによって、処
理中の表面の許容最高温度を上昇させる。この高い許容処理温度のさらにもう一
つの利点は、より高温になることとその結果処理中及び処置直後の分子の易動度
が上昇することによって架橋の有効性が増すことである。したがって、特定の硬
度とその他処理に起因するパラメータを実現するのに必要なイオン添加量を減少
させることができる。
(2) The process utilizing short pulses reduces the maximum allowable surface temperature during processing by reducing damage from exceeding the standard maximum allowable processing temperature for continuous, long-term processing. To raise. Yet another advantage of this high tolerable processing temperature is that the effectiveness of crosslinking is increased by higher temperatures and consequently by increasing the mobility of the molecules during and immediately after processing. Therefore, it is possible to reduce the amount of ion addition necessary to realize a specific hardness and other parameters caused by the processing.

【0063】 (3) 本発明は、1回のパルスで、イオンエネルギーのスペクトルを発生さ
せることができる。また、多種類のイオン種を使って、現在の連続ビーム装置で
使用される単一エネルギー注入よりも処理深さの全体を通じてより均一な処理を
実現することができる。
(3) According to the present invention, a spectrum of ion energy can be generated by one pulse. In addition, multiple types of ion species can be used to achieve more uniform processing throughout the processing depth than single energy implants used in current continuous beam devices.

【0064】 (4) 比較的高い平均イオン出力と伝達イオン出力密度およびその結果とし
て本発明により達成可能な高い処理率により、現在のイオン注入法に比べて大幅
にイオン注入の経済性を向上させることができる。
(4) The relatively high average ion output and transmitted ion power density, and consequently the high throughput rates achievable by the present invention, significantly improve ion implantation economics over current ion implantation methods. be able to.

【0065】 本発明は、化学反応性、触媒活性、摺接摩耗抵抗、擦過摩耗抵抗、耐浸蝕性、
耐異種金属間接触腐食性、耐点蝕性、耐割目腐食性、電子放出率、次に被着され
る層や被膜の密着性、摺動摩擦係数、転動摩擦係数、耐転動接触疲労性、耐摺動
接触疲労性、光反射率、拡散反射率、輝度、及び表面の圧縮残留応力を加減する
などして変化させる等、様々な方法で表面特性を改質することが可能である。
The present invention provides chemical reactivity, catalytic activity, abrasion resistance, abrasion resistance, erosion resistance,
Resistance to dissimilar metal contact corrosion, pitting corrosion resistance, crack corrosion resistance, electron emission rate, adhesion of the next layer or coating, sliding friction coefficient, rolling friction coefficient, rolling contact fatigue resistance The surface characteristics can be modified by various methods, for example, by changing the sliding contact fatigue resistance, the light reflectance, the diffuse reflectance, the luminance, and the compressive residual stress of the surface by adjusting the surface stress.

【0066】 以上の説明では、本発明をより理解しやすくするために、特定の材料、構造、
化学物質、過程など、特定の詳細を多数述べている。しかしながら、本発明は上
述した特定の詳細に依存することなく実行することが可能である。言い換えれば
、本は詰めを不必要に分かりづらくしないために、公知の処理や材料については
詳細に述べていない。
In the above description, in order to make the present invention more understandable, specific materials, structures,
It gives a number of specific details, such as chemicals, processes, etc. However, the present invention can be practiced without relying on the specific details described above. In other words, the book does not describe well-known processes or materials in order not to obscure the stuffing unnecessarily.

【0067】 本文では、本発明の好ましい実施形態とその適用としての幾つかの例のみが示
され説明されている。本発明は、様々な組合せや環境において使用可能であり、
本文中に表現された発明の概念の範囲内で変更や改造が可能であると理解される
べきである。
In the text, only preferred embodiments of the invention and some examples of its application have been shown and described. The invention can be used in various combinations and environments,
It is to be understood that changes and modifications can be made within the spirit of the invention as expressed herein.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 図1は、材料を急速な熱サイクルにかけるための、本発明の実施形態による強
烈なイオンビームパルスの用途を示す。
FIG. 1 illustrates the use of an intense ion beam pulse according to an embodiment of the invention to subject materials to rapid thermal cycling.

【図2】 図2A−Bは、本発明の一実施形態による電圧と電流密度の波形を示す。 図2Cは、本発明の一実施形態にしたがって2.4J/cm2のエネルギー準
位を使用して形成された1042炭素鋼の熱サイクルとその波形を示す。 図2Dは、本発明の一実施形態にしたがって異なるエネルギー準位を使用して
形成された1042炭素鋼の熱サイクルとその波形を示す。
2A-B show voltage and current density waveforms according to one embodiment of the present invention. FIG. 2C shows a thermal cycle and its waveforms of a 1042 carbon steel formed using an energy level of 2.4 J / cm 2 according to one embodiment of the present invention. FIG. 2D illustrates a thermal cycle and waveforms of 1042 carbon steel formed using different energy levels according to one embodiment of the present invention.

【図3】 図3Aは、未処理の銅表面を示す顕微鏡図である。 図3Bは、処理後の改質した銅表面を示す顕微鏡図である。 図3Cは、本発明の一実施形態による改質した銅表面を示す顕微鏡図である。FIG. 3A is a micrograph showing an untreated copper surface. FIG. 3B is a micrograph showing the modified copper surface after treatment. FIG. 3C is a micrograph showing a modified copper surface according to one embodiment of the present invention.

【図4】 図4は、亜鉛層の上のチタン層が気化温度より低い状態での亜鉛層の蒸発を示
す、深さの関数として温度をプロットしたグラフである。
FIG. 4 is a graph plotting temperature as a function of depth showing the evaporation of the zinc layer with the titanium layer above the zinc layer below the vaporization temperature.

【図5】 図5は、外側表面層がその気化温度に達する前の部分表面層の蒸発を示す、深
さの関数として温度をプロットしたグラフである。
FIG. 5 is a graph plotting temperature as a function of depth showing the evaporation of a partial surface layer before the outer surface layer has reached its vaporization temperature.

【図6】 図6Aは、高さが高勾配の17−4PH表面を示す。 図6Bは、処理後の同17−4PH表面を示し、勾配が低下したより滑らかな
表面を示している。
FIG. 6A shows a high gradient 17-4PH surface. FIG. 6B shows the same 17-4PH surface after treatment, showing a smoother surface with a reduced slope.

【図7】 図7A−Dは、本発明の一実施形態による改質された表面を示す顕微鏡図であ
る。
7A-D are micrographs showing a modified surface according to one embodiment of the present invention.

【図8】 図8A−Bは、本発明の一実施形態による処理前及び処理後のタングステン超
硬合金表面を示す顕微鏡である。
8A-B are microscopes showing tungsten cemented carbide surfaces before and after treatment according to one embodiment of the present invention.

【図9】 図9A−Cは、本発明の一実施形態による処理前及び処理後のアルミナ表面ま
たはアルミニウム表面を示す顕微鏡図である。
9A-C are micrographs showing an alumina surface or an aluminum surface before and after treatment according to one embodiment of the present invention.

【図10】 図10Aは、本発明の一実施形態によって処理した303ステンレス鋼を示す
顕微鏡図である。 図10Bは、本発明の一実施形態によって処理した304ステンレス鋼を示す
顕微鏡図である。
FIG. 10A is a micrograph showing 303 stainless steel processed according to one embodiment of the present invention. FIG. 10B is a micrograph showing 304 stainless steel processed according to one embodiment of the present invention.

【図11】 図11は、304ステンレス鋼において深さの関数として温度をプロットした
グラフである。
FIG. 11 is a graph plotting temperature as a function of depth for 304 stainless steel.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB ,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,GE,G H,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP ,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR, LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,M W,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD ,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR, TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,ZA,Z W (72)発明者 ディー.シー.マッキンタイア アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 87111、アルバカーキ、ノースイースト、 バルサプレイス 5909 (72)発明者 エム.ティー.クロフォード アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 87120、アルバカーキ、ノースウエスト、 フレスカコート 6816 (72)発明者 トーマス アール.ロックナー アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 87111、アルバカーキ、ノースイースト、 カージェピーノ 3915 (72)発明者 ケー.イー.バウチャー アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 87112、アルバカーキ、ノースイースト、 エリザベスストリート 2310 (72)発明者 ユージン エル.ノウ アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 87107、アルバカーキ、ノースウエスト、 サンディアロード 919 Fターム(参考) 4K053 PA01 PA02 PA03 PA09 QA01 QA04 RA03 SA01 XA11 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY , CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP , KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor D. C. McIntyre, United States New Mexico 87111, Albuquerque, Northeast, Balsa Place 5909 (72) Inventor M. tea. Crawford United States of America New Mexico 87120, Albuquerque, Northwest, Frescacote 6816 (72) Inventor Thomas Earl. Rockner United States New Mexico 87111, Albuquerque, Northeast, Cargepino 3915 (72) Inventor. E. Voucher United States New Mexico 87112, Albuquerque, Northeast, Elizabeth Street 2310 (72) Inventor Eugene El. Know United States New Mexico 87107, Albuquerque, Northwest, Sandia Road 919 F-term (reference) 4K053 PA01 PA02 PA03 PA09 QA01 QA04 RA03 SA01 XA11

Claims (48)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 材料の表面に対して、ほとんど回転せず磁気的閉じ込め陽極
プラズマ(MAP)イオン源から引き出された、少なくとも0.1パルス毎秒の
所定のパルス繰り返し率と約20ナノ秒ないし役0.05ミリ秒の範囲の所定の
パルス幅を有するパルスイオンビームを照射する工程と、 上記表面に対して約0.01J/cm2ないし約20J/cm2の範囲の所定の
エネルギー密度を有するエネルギーを印加する工程とを備えている材料表面改質
方法。
1. A predetermined pulse repetition rate of at least 0.1 pulses per second, extracted from a magnetically confined anode plasma (MAP) ion source with little rotation relative to the surface of the material, and a pulse repetition rate of about 20 nanoseconds or less. and a step of irradiating a pulsed ion beam, a predetermined energy density in the range of about 0.01 J / cm 2 to about 20 J / cm 2 with respect to the surface having a predetermined pulse width in a range of 0.05 ms Applying a energy.
【請求項2】 上記印加の工程は上記表面に約0.1J/cm2ないし約1
0J/cm2の範囲のエネルギー密度を有するエネルギーを印加するものである
請求項1記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the step of applying comprises applying about 0.1 J / cm 2 to about 1 J
The method of claim 1, wherein applies an energy having an energy density in the range of 0 J / cm 2.
【請求項3】 上記パルスイオンビームは少なくとも約0.5パルス毎秒の
パルス繰り返し率を有している請求項1記載の方法。
3. The method of claim 1 wherein said pulsed ion beam has a pulse repetition rate of at least about 0.5 pulses per second.
【請求項4】 上記パルスイオンビームは少なくとも60%のイオン種純度
を有している請求項1記載の方法。
4. The method of claim 1, wherein said pulsed ion beam has an ion species purity of at least 60%.
【請求項5】 上記パルスイオンビームは1パルス当たり5cm2を超える面
積を改質する請求項1記載の方法。
5. The method of claim 1, wherein said pulsed ion beam modifies an area greater than 5 cm 2 per pulse.
【請求項6】 上記改質は洗浄化であり、上記表面は汚染物質を含んでいて
、上記汚染物質を部分的に洗浄する工程をさらに備えている請求項1記載の方法
6. The method of claim 1, wherein the modification is cleaning, the surface includes a contaminant, and further comprising the step of partially cleaning the contaminant.
【請求項7】 上記洗浄化の工程は上記汚染物質の気化点より高く上記表面
材料の気化点より低い温度まで表面を上昇させることにより汚染物質を蒸発させ
る工程をさらに備えている請求項6記載の方法。
7. The cleaning step according to claim 6, further comprising the step of evaporating the contaminants by raising the surface to a temperature higher than the vaporization point of the contaminants and lower than the vaporization point of the surface material. the method of.
【請求項8】 上記蒸発の工程は上記汚染物質と上記表面材料との混合を促
進させる工程をさらに備えている請求項7記載の方法。
8. The method of claim 7, wherein the step of evaporating further comprises the step of promoting mixing of the contaminant with the surface material.
【請求項9】 上記表面材料の温度を上記汚染物質と表面材料の少なくとも
一つの成分とを溶融させるのに充分な温度まで上昇させることによって汚染物質
と表面材料とを少なくとも部分的に混合させる工程をさらに備えている請求項6
記載の方法。
9. At least partially mixing the contaminant with the surface material by raising the temperature of the surface material to a temperature sufficient to melt the contaminant and at least one component of the surface material. 7. The method according to claim 6, further comprising:
The described method.
【請求項10】 上記混合の工程は上記表面材料の表面を該表面材料か上記
汚染物質かどちらかの気化点より高い温度まで上昇させる工程をさらに備えてい
る請求項9記載の方法。
10. The method of claim 9, wherein said mixing step further comprises the step of raising the surface of said surface material to a temperature above the vaporization point of either said surface material or said contaminant.
【請求項11】 上記改質は表面内の汚染物質を含んだ領域を精製すること
であり、上記汚染物質を上記表面の外側境界に向かって移動させるよう誘導する
工程をさらに備えている請求項1記載の方法。
11. The method of claim 1, wherein the modifying is purifying a contaminant-containing region in the surface, further comprising directing the contaminant to move toward an outer boundary of the surface. The method of claim 1.
【請求項12】 上記表面から上記移動させられた汚染物質を除去すること
によって汚染物質で汚染された表面を少なくとも部分的に洗浄化する工程をさら
に備えている請求項11記載の方法。
12. The method of claim 11, further comprising the step of at least partially cleaning the contaminated surface by removing the displaced contaminant from the surface.
【請求項13】 上記改質は層を分離及び/または除去することであり、表
面から層を少なくとも部分的に分離及び/または除去する工程をさらに備えてい
る請求項1記載の方法。
13. The method of claim 1, wherein the modifying is separating and / or removing the layer, further comprising the step of at least partially separating and / or removing the layer from the surface.
【請求項14】 上記層は上記表面に隣接している請求項13記載の方法。14. The method of claim 13, wherein said layer is adjacent to said surface. 【請求項15】 上記分離及び/または除去される層に隣接する表面を加熱
する工程をさらに備えている請求項14記載の方法。
15. The method according to claim 14, further comprising heating a surface adjacent to the layer to be separated and / or removed.
【請求項16】 上記分離及び/または除去される層に隣接する表面を溶融
する工程をさらに備えている請求項13記載の方法。
16. The method according to claim 13, further comprising the step of fusing a surface adjacent the layer to be separated and / or removed.
【請求項17】 上記分離及び/または除去される層に隣接する表面を蒸発
させる工程をさらに備えている請求項13記載の方法。
17. The method of claim 13, further comprising the step of evaporating a surface adjacent to the layer to be separated and / or removed.
【請求項18】 上記表面は表面材料と該表面材料に隣接する材料の層との
間に界面を有しており、上記界面で上記表面材料と上記層の材料とを少なくとも
部分的に混合する工程をさらに備えている請求項1記載の方法。
18. The surface having an interface between a surface material and a layer of material adjacent to the surface material, at which the surface material and the material of the layer are at least partially mixed. The method of claim 1, further comprising the step of:
【請求項19】 上記表面は結晶質であり、上記結晶質表面を加熱して改質
する工程をさらに備えている請求項1記載の方法。
19. The method of claim 1, wherein said surface is crystalline and further comprising the step of heating and modifying said crystalline surface.
【請求項20】 上記結晶質表面を非晶質表面に転換する工程をさらに備え
ている請求項19記載の方法。
20. The method of claim 19, further comprising the step of converting said crystalline surface to an amorphous surface.
【請求項21】 上記表面を被覆する工程をさらに備えている請求項20記
載の方法。
21. The method of claim 20, further comprising the step of coating said surface.
【請求項22】 上記表面は低密度形状を有しており、上記表面の少なくと
も一つの材料を溶融して表面の低密度形状を減少させる工程をさらに備えている
請求項1記載の方法。
22. The method of claim 1, wherein the surface has a low density feature, further comprising the step of melting at least one material of the surface to reduce the low density feature of the surface.
【請求項23】 上記処理された表面を被覆する工程をさらに備えている請
求項22記載の方法。
23. The method of claim 22, further comprising the step of coating said treated surface.
【請求項24】 上記表面は空間勾配を有しており、上記表面を少なくとも
部分的に平坦化して上記空間勾配を減少させる工程をさらに備えている請求項1
記載の方法。
24. The surface of claim 1, wherein the surface has a spatial gradient, further comprising the step of at least partially planarizing the surface to reduce the spatial gradient.
The described method.
【請求項25】 上記少なくとも部分的に平坦化する工程は上記表面の温度
をその融点より高い温度まで上昇させることによって上記表面材料の少なくとも
一つの材料を少なくとも部分的に溶融する工程をさらに備えている請求項24記
載の方法。
25. The at least partially planarizing step further comprises at least partially melting at least one of the surface materials by increasing a temperature of the surface to a temperature above its melting point. The method of claim 24, wherein
【請求項26】 上記少なくとも部分的に平坦化する工程は上記表面材料の
材料の温度をその気化点より低い温度まで上昇させる工程をさらに備えている請
求項25記載の方法。
26. The method of claim 25, wherein the step of at least partially planarizing further comprises the step of raising the temperature of the surface material to a temperature below its vaporization point.
【請求項27】 上記温度を上昇させる工程はほぼ上記表面から材料を除去
することなく実行される請求項26記載の方法。
27. The method of claim 26, wherein the step of increasing the temperature is performed substantially without removing material from the surface.
【請求項28】 上記空間勾配は凸部を含んでおり、上記平坦化の工程は凸
部を減少させることによって上記表面を少なくとも部分的に平滑化する工程をさ
らに備えている請求項24記載の方法。
28. The method of claim 24, wherein the spatial gradient includes a protrusion, and wherein the planarizing step further comprises at least partially smoothing the surface by reducing the protrusion. Method.
【請求項29】 上記空間勾配はくぼみを含んでおり、上記平坦化の工程は
くぼみを減少させることによって上記表面を少なくとも部分的に平滑化する工程
をさらに備えている請求項24記載の方法。
29. The method of claim 24, wherein the spatial gradient includes a depression, and wherein the planarizing step further comprises at least partially smoothing the surface by reducing the depression.
【請求項30】 上記表面の少なくとも一部を粗面化する工程をさらに備え
ている請求項1記載の方法。
30. The method of claim 1, further comprising the step of roughening at least a portion of said surface.
【請求項31】 上記粗面化の工程は上記表面の少なくとも一つの構成材料
を少なくとも部分的に溶融する工程を備えている請求項30記載の方法。
31. The method of claim 30, wherein the step of roughening comprises the step of at least partially melting at least one component of the surface.
【請求項32】 上記粗面化の工程は上記材料の温度をその気化点より高い
温度まで上昇させることによって上記表面の少なくとも一つの材料を少なくとも
部分的に蒸発させる工程を備えている請求項31記載の方法。
32. The step of roughening comprises the step of at least partially evaporating at least one material on the surface by raising the temperature of the material to a temperature above its vaporization point. The described method.
【請求項33】 上記表面に凸部を形成する工程を備えている請求項30記
載の方法。
33. The method according to claim 30, further comprising the step of forming a projection on the surface.
【請求項34】 上記表面に鋭い尖塔状物を形成する工程を備えている請求
項30記載の方法。
34. The method of claim 30, comprising forming a sharp spire on the surface.
【請求項35】 上記表面をその融点より低い温度まで加熱する工程をさら
に備えている請求項1記載の方法。
35. The method of claim 1, further comprising heating said surface to a temperature below its melting point.
【請求項36】 上記表面は少なくとも2つの材料からなっており、上記表
面の温度を上記材料のうちの少なくとも一つの融点より高い温度まで上昇させる
工程をさらに備えている請求項35記載の方法。
36. The method of claim 35, wherein said surface comprises at least two materials, and further comprising the step of raising the temperature of said surface to a temperature above the melting point of at least one of said materials.
【請求項37】 上記表面は第1の融点を有する第1の材料を備えており、
上記表面に上記第1の融点より高い第2の融点を有する第2の材料を加える工程
と、 上記表面の温度を上記第1の融点よりも高いかあるいはそれと等しく上記第2
の融点より低い温度まで上昇させる工程とをさらに備えている請求項1記載の方
法。
37. The surface comprising a first material having a first melting point,
Adding a second material having a second melting point higher than the first melting point to the surface; and setting the temperature of the surface higher than or equal to the first melting point.
Raising the temperature to below the melting point of the method.
【請求項38】 上記表面は第1の融点を有する第1の材料を備えており、
上記表面に第2の融点を有する第2の材料を加える工程と、 上記表面の温度を上記第1の融点よりも高いかあるいはそれと等しい温度まで
上昇させる工程とをさらに備えている請求項1記載の方法。
38. The surface comprises a first material having a first melting point,
2. The method of claim 1, further comprising: adding a second material having a second melting point to the surface; and increasing the temperature of the surface to a temperature higher than or equal to the first melting point. the method of.
【請求項39】 上記表面を再凝固させる工程をさらに備えている請求項3
8記載の方法。
39. The method of claim 3, further comprising the step of resolidifying said surface.
8. The method according to 8.
【請求項40】 上記第2の材料は粉末である請求項39記載の方法。40. The method of claim 39, wherein said second material is a powder. 【請求項41】 析出物の新しい分布または変化した分布を生成する工程を
さらに備えている請求項1記載の方法。
41. The method of claim 1, further comprising the step of generating a new or altered distribution of precipitates.
【請求項42】 上記表面材料は少なくとも1種類の金属または金属混合物
からなっている請求項40記載の方法。
42. The method of claim 40, wherein said surface material comprises at least one metal or metal mixture.
【請求項43】 上記表面は少なくとも第1の材料と第2の材料からなって
おり、上記表面の温度を上記第1の材料を少なくとも部分的に除去するのに充分
な温度まで上昇させる工程をさらに備えている請求項1記載の方法。
43. The method according to claim 43, wherein the surface comprises at least a first material and a second material, wherein the step of raising the temperature of the surface to a temperature sufficient to at least partially remove the first material. The method of claim 1, further comprising:
【請求項44】 上記温度を上昇させる工程は上記第1の材料を蒸発させる
工程を備えている請求項43記載の方法。
44. The method of claim 43, wherein increasing the temperature comprises evaporating the first material.
【請求項45】 上記温度を上昇させる工程は上記第1の材料を解離する工
程を備えている請求項44記載の方法。
45. The method of claim 44, wherein increasing the temperature comprises dissociating the first material.
【請求項46】 上記改質された表面を加熱する工程をさらに備えている請
求項1記載の方法。
46. The method of claim 1, further comprising heating the modified surface.
【請求項47】 上記の工程は上記表面を焼戻しする工程をさらに備えてい
る請求項46記載の方法。
47. The method of claim 46, wherein said step further comprises tempering said surface.
【請求項48】 上記加熱の工程は熱間等静圧圧縮工程をさらに備えている
請求項46記載の方法。
48. The method of claim 46, wherein said heating step further comprises a hot isostatic pressing step.
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