RU2781774C1 - Method for ion-beam treatment of the inner surface of extended holes - Google Patents
Method for ion-beam treatment of the inner surface of extended holes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781774C1 RU2781774C1 RU2022102321A RU2022102321A RU2781774C1 RU 2781774 C1 RU2781774 C1 RU 2781774C1 RU 2022102321 A RU2022102321 A RU 2022102321A RU 2022102321 A RU2022102321 A RU 2022102321A RU 2781774 C1 RU2781774 C1 RU 2781774C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- extended
- plasma
- ions
- hole
- Prior art date
Links
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 61
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 9
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- -1 aluminum ions Chemical class 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005513 bias potential Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 238000004642 transportation engineering Methods 0.000 description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000005591 charge neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при обработке внутренней поверхности протяженных отверстий металлических изделий или труб для повышения их поверхностной твердости, коррозионной стойкости и износостойкости.The invention relates to mechanical engineering and can be used in the processing of the inner surface of long holes in metal products or pipes to increase their surface hardness, corrosion resistance and wear resistance.
Известен способ имплантации ионов вещества, осуществляемый путем генерации плазменного потока, предварительной инжекции плазмы в пространство дрейфа, последующего плазменно-иммерсионного формирования ионного пучка с дальнейшей его транспортировкой и баллистической фокусировкой в пространстве дрейфа и облучением образца импульсно-периодическими потоками плазмы и пучками ионов [Ru 2666766, МПК H01J 37/00, опубл. 12.09.2018]. Перед облучением образца ионами осуществляют их торможение с одновременной компенсацией пространственного заряда ионного потока. К достоинствам способа следует отнести возможность использования любого газа или твердого вещества с одноэлементным или многоэлементным составом в качестве имплантируемого материала и возможность формирования ионно-легированных слоев толщиной в десятки и сотни микрон. К недостаткам способа относится неоднородность ионного легирования по глубине при облучении внутренней поверхности протяженных отверстий. A known method of implantation of ions of a substance, carried out by generating a plasma flow, preliminary injection of plasma into the drift space, subsequent plasma-immersion formation of an ion beam with its further transportation and ballistic focusing in the drift space and irradiation of the sample with repetitively pulsed plasma flows and ion beams [Ru 2666766 , IPC H01J 37/00, publ. 09/12/2018]. Before irradiation of the sample with ions, they are slowed down with simultaneous compensation of the space charge of the ion flow. The advantages of the method include the possibility of using any gas or solid with a single-element or multi-element composition as an implantable material and the possibility of forming ion-doped layers with a thickness of tens and hundreds of microns. The disadvantages of the method include the heterogeneity of ion doping in depth when irradiating the inner surface of long holes.
Известен способ обработки поверхности длинномерных отверстий металлических изделий в тлеющем разряде [Ru 2114211, МПК C23C14/38, опубл. 27.06.1998], заключающийся в бомбардировании поверхности отверстия потоком ионов газа, образованным между обрабатываемым изделием (катодом) и введенным в него электродом (анодом), при этом электрод-анод устанавливают коаксиально обрабатываемой поверхности, а на катод подают высоковольтный потенциал, превышающий 5000 B, определяемый в зависимости от радиуса отверстия обрабатываемого изделия. Недостатками данного способа являются невозможность обработки изделий ионами металлов, низкие дозы 5•1017 ион/см2 ионного облучения и малые толщины 1,5-2 мкм ионно-легированного слоя, проблемы с обработкой отверстий малого диаметра.A known method of surface treatment of long holes of metal products in a glow discharge [Ru 2114211, IPC C23C14/38, publ. 06/27/1998], which consists in bombarding the surface of the hole with a stream of gas ions formed between the workpiece (cathode) and the electrode (anode) introduced into it, while the electrode-anode is installed coaxially with the surface to be treated, and a high-voltage potential exceeding 5000 V is applied to the cathode , determined depending on the radius of the hole in the workpiece. The disadvantages of this method are the impossibility of processing products with metal ions, low doses of 5×10 17 ion/cm 2 ion irradiation and small thicknesses of 1.5-2 μm of the ion-doped layer, problems with processing holes of small diameter.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу, прототипом, является способ ионной имплантации атомов пучком ионов на внутреннюю поверхность отверстия, в котором для организации процесса падения ионного пучка на стенки отверстия под углом равным или близким к прямому к обрабатываемой детали с отверстием прикладывают магнитное поле, а для равномерного облучения обрабатываемую деталь вращают вокруг ее оси и перемещают вдоль магнитной системы [US 5264707, МПК H01J37/3171, опубл. 23, 1993]. Недостатками данного способа являются низкая производительность из-за малых ионных токов, при том максимальная доза облучения не превышает нескольких единиц на 1017 ион/см2, а также необходимость применения сложной и энергоёмкой фокусирующей системы. The closest in technical essence to the proposed method, the prototype, is a method of ion implantation of atoms by an ion beam on the inner surface of the hole, in which a magnetic field is applied to the workpiece with the hole to organize the process of the ion beam falling onto the hole walls at an angle equal to or close to a straight line, and for uniform irradiation, the workpiece is rotated around its axis and moved along the magnetic system [US 5264707, IPC H01J37/3171, publ. 23, 1993]. The disadvantages of this method are low productivity due to low ion currents, while the maximum radiation dose does not exceed a few units per 10 17 ion/cm 2 , as well as the need to use a complex and energy-intensive focusing system.
Техническим результатом заявляемого решения является расширение арсенала способов ионно-лучевой обработки внутренней поверхности протяженных отверстий.The technical result of the proposed solution is the expansion of the arsenal of methods for ion-beam processing of the inner surface of elongated holes.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе ионно-лучевой обработки внутренней поверхности протяженных отверстий, заключающемся в генерации плазменного потока, экстракции и ускорении ионов, облучении внутренней поверхности протяженных отверстий, перемещении обрабатываемой детали вдоль продольной оси протяженного отверстия, плазменный поток ионов формируют в пучок путем баллистической фокусировки ионов на мелкоструктурной сетке, выполненной в форме сферического сегмента, в пространстве дрейфа пучка, предварительно заполненного плазмой, а изделие располагают в фокальной плоскости пучка, на расстоянии равном радиусу R сферического сегмента, причем в процессе ионной обработки изделие возвратно-поступательно перемещают вдоль оси пучка на расстояние равное ± L/2, где L - глубина обрабатываемого протяженного отверстия, а геометрия баллистической системы фокусировки, выполненной в виде сферического сегмента, выбирается на основании размеров обрабатываемого протяженного отверстия из соотношения:The problem is solved by the fact that in the known method of ion-beam processing of the inner surface of extended holes, which consists in generating a plasma flow, extracting and accelerating ions, irradiating the inner surface of extended holes, moving the workpiece along the longitudinal axis of the extended hole, the plasma flow of ions is formed into a beam by ballistic focusing of ions on a fine-structured grid, made in the form of a spherical segment, in the beam drift space, preliminarily filled with plasma, and the product is placed in the focal plane of the beam, at a distance equal to the radius R of the spherical segment, and in the process of ion processing, the product is reciprocally moved along beam axis at a distance equal to ± L/2, where L is the depth of the extended hole being processed, and the geometry of the ballistic focusing system, made in the form of a spherical segment, is selected based on the dimensions of the extended hole being processed from the ratio:
где D – диаметр основания сегмента сферы, d – диаметр протяженного отверстия в образце.where D is the diameter of the base of the sphere segment, d is the diameter of the extended hole in the sample.
Целесообразно в способе ионно-лучевой обработки внутренней поверхности протяженных отверстий для ионно-лучевой обработки поверхности ионами металлов осуществить формирование плазмы импульсным или непрерывным вакуумным дуговым разрядом. It is advisable in the method of ion-beam treatment of the inner surface of extended holes for ion-beam surface treatment with metal ions to carry out the formation of plasma by a pulsed or continuous vacuum arc discharge.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.The claimed invention is illustrated by the following drawings.
На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Figure 1 shows a diagram of a device that implements the proposed method.
На фиг.2 представлена геометрия баллистической системы фокусировки и расположения обрабатываемого изделия с отверстием.Figure 2 shows the geometry of the ballistic focusing system and the location of the workpiece with a hole.
На фиг.3 показано распределение элементов по глубине образца из титана с диаметром отверстия 25 мм и длинной 45 мм после имплантации ионов алюминия в течение 60 мин с током пучка в фокусе 0,75 А, напряжении смещения 1,4 кВ, при длительности импульсов 10 мкс, частоте 40 кГц в условиях возвратно-поступательного перемещения образца.Figure 3 shows the distribution of elements over the depth of a titanium sample with a hole diameter of 25 mm and a length of 45 mm after implantation of aluminum ions for 60 min with a beam current at the focus of 0.75 A, a bias voltage of 1.4 kV, with a pulse duration of 10 μs, frequency 40 kHz under conditions of reciprocating movement of the sample.
На фиг.4 представлено распределение элементов по глубине образца из нержавеющей стали с диаметром отверстия 25 мм и длинной 45 мм после имплантации ионов азота в течение 60 мин с током пучка в фокусе 0,5 А, напряжении смещения 1,4 кВ, при длительности импульсов 10 мкс, частоте 40 кГц в условиях возвратно-поступательного перемещения образца.Figure 4 shows the distribution of elements over the depth of a stainless steel sample with a hole diameter of 25 mm and a length of 45 mm after implantation of nitrogen ions for 60 min with a beam current at the focus of 0.5 A, a bias voltage of 1.4 kV, with a
Для реализации способа обработки внутренней поверхности протяженных отверстий было изготовлено устройство (Фиг. 1). Устройство содержит вакуумную камеру 1, дисковый электрод 2, мелкоструктурную сетку 3, полый электрод 4 с закрытой торцевой поверхностью, обрабатываемый образец с протяженным отверстием 5, держатель для возвратно-поступательного перемещения образца 6, механизм возвратно-поступательного перемещения образца 7, источник напряжения смещения 8, анод вакуумно-дугового испарителя 9, электромагнитные катушки 10, катод 11, поджигающий электрод 12, источник питания поджигающего электрода 13 , источник питания дугового разряда 14.To implement the method for processing the inner surface of elongated holes, a device was made (Fig. 1). The device contains a
Вакуумно-дуговой источник металлической плазмы, состоящий из коаксиально установленных анода вакуумно-дугового испарителя 9 и катода 11, закреплен на вакуумной камере 1. На боковой поверхности катода 11 установлен поджигающий электрод 12. Поджигающий электрод 12 и катод 11 соединены с источником питания 13, причем катод 11 подключен к выходу источника питания 13 с отрицательной полярностью. Катод 11 и анод 9 соединены с источником питания 14, причем катод 11 подключен к выходу источника питания 14 с отрицательной полярностью. Коаксиально с анодом 9, вне вакуумного объема, установлены электромагнитные катушки 10. Внутри вакуумной камеры 1, коаксиально с катодом 11 и анодом 9, установлен, полый металлический электрод 4 с закрытой торцевой поверхностью. К полому металлическому электроду 4 прикреплена мелкоструктурная сетка 3 из нержавеющей стали, имеющая форму сферического сегмента с заданным размером ячейки, в одном из вариантов, 1×1 мм. Выпуклая сторона сферического сегмента мелкоструктурной сетки 3 обращена к катоду 11. Поверхность мелкоструктурной сетки 3, в ее центральной части, закрыта дисковым электродом 2, например из вольфрама. Внутри пространства, образованного полым электродом 4 и мелкоструктурной сеткой 3 на расстоянии радиуса от сферического сегмента установлен образец с отверстием 5, например из титана. Источник питания 8 отрицательным выводом подключен к полому электроду 4, соединенному с мелкоструктурной сеткой 3 и облучаемому образцу 5, а его положительный выход соединен с вакуумной камерой 1, которая заземлена. Механизм возвратно-поступательного перемещения образца 7 соединен с образцом 5 и обеспечивает перемещение образца вдоль оси пучка в процессе облучения.Vacuum-arc source of metal plasma, consisting of coaxially mounted anode of vacuum-
При подаче высоковольтного импульса напряжения от источника питания 13 между поджигающим электродом 12 и катодом 11 происходит пробой. Поскольку катод 11 имеет отрицательный потенциал относительно поджигающего электрода 12, то на его поверхности формируется катодное пятно. Плазма от катодного пятна, постепенно расширяясь, достигает поверхности анода 9. Источник питания 14 обеспечивает поддержание импульсного или непрерывного вакуумного дугового разряда. Под действием электрического поля, существующего между катодом 11 и анодом 9, а также магнитного поля, создаваемого электромагнитными катушками 10, катодное пятно, перемещаясь по боковой поверхности катода 11, постепенно выходит на его торцевую поверхность. После этого, плазма, формируемая катодным пятном, распространяется в вакуумной камере 1 в направлении мелкоструктурной сетки 3 в виде части сферы. Установленный на поверхности мелкоструктурной сетки 3 дисковый электрод 2, препятствует прямому пролету макрочастиц вакуумного дугового разряда с поверхности катода 11 на внутреннюю поверхность облучаемого образца 5. Проходя через мелкоструктурную сетку 3, плазма проникает в пространство дрейфа и фокусировки ионного пучка, ограниченное этой сеткой и полым электродом 4. После заполнения плазмой пространства дрейфа на мелкоструктурную сетку 3, электрически связанный с ней полый электрод 4 и образец 5 от источника питания 8 подают импульсное напряжение смещения отрицательной полярности.When a high-voltage voltage pulse is applied from the
При подаче на мелкоструктурную сетку 3 и полый электрод 4 отрицательного потенциала смещения вблизи мелкоструктурной сетки 3 начинает формироваться слой разделения заряда. Сначала за счет ухода плазменных электронов создается, так называемый, матричный слой, в котором плотность ионов постоянна. В дальнейшем происходит ускорение ионов, приводящее к изменению распределения плотности ионов по ширине слоя и увеличению его размера. Расширение слоя прекращается, когда происходит ограничение плотности ионного тока пространственным зарядом в соответствии с законом Чайлда-Ленгмюра.When a negative bias potential is applied to the
Сформированный ионный поток инжектируется внутрь системы образованной мелкоструктурной сеткой 3 и полым электродом 4, образующей пространство дрейфа и фокусировки ионного пучка. Предварительно инжектированная в пространство дрейфа плазма, благодаря наличию плазменных электронов, обеспечивает нейтрализацию пространственного заряда ионного пучка. Ионы пучка своим пространственным зарядом создают электрическое поле, выталкивающее за пределы пучка ионы плазмы. В то же самое время, электроны плазмы, по мере удаления ионов плазмы, компенсируют объемный заряд пучка. В дальнейшем, благодаря фокусирующей геометрии мелкоструктурной сетки 3, выполненной в виде сферического сегмента, осуществляется баллистическая фокусировка пучка ионов.The generated ion flow is injected into the system formed by a fine-
При плотностях ионного тока насыщения из вакуумно-дуговой плазмы алюминия порядка 5 мА/см2, при амплитуде потенциала смещения 1,4 кВ ионный ток в фокальной плоскости пучка ионов составляет примерно 0,75 А, а максимальная плотность тока в области кроссовера пучка достигает 1 А/см2.At saturation ion current densities from a vacuum-arc aluminum plasma of about 5 mA/cm2, at a bias potential amplitude of 1.4 kV, the ion current in the focal plane of the ion beam is approximately 0.75 A, and the maximum current density in the beam crossover region reaches 1 A / cm 2 .
Геометрия баллистической системы фокусировки, выполненной в виде сферического сегмента, рассчитывается на основании размеров обрабатываемого отверстия в образце 5 из соотношения (1).The geometry of the ballistic focusing system, made in the form of a spherical segment, is calculated on the basis of the dimensions of the machined hole in
В исходном состоянии образец устанавливается по оси фокусировки пучка таким образом, что фокус пучка находился на входе в отверстие (Фиг. 2). В дальнейшем, в процессе ионной имплантации образец с помощью механизма 7 возвратно-поступательно перемещают на расстояние L/2 в обе стороны от исходного положения.In the initial state, the sample is mounted along the beam focusing axis in such a way that the beam focus was at the entrance to the hole (Fig. 2). Subsequently, in the process of ion implantation, the sample is reciprocated by means of mechanism 7 by a distance L/2 in both directions from the initial position.
В предлагаемом способе ионно-лучевой обработки внутренней поверхности протяженных отверстий компенсацию пространственного заряда пучка обеспечивают предварительной инжекцией плазмы в эквипотенциальное пространство дрейфа. Инжекция плазмы осуществляется в промежутках между импульсами напряжения, формирующими ионный пучок. В случае использования генератора вакуумной дуговой плазмы необходимо исключить попадание микрокапель вакуумного дугового разряда внутрь отверстия на обрабатываемую поверхность, что достигается использованием экрана в виде диска 2 (Фиг.1), который устанавливают между катодом вакуумного дугового генератора плазмы и обрабатываемым изделием. Диаметр экрана подбирается опытным путем и таким образом, чтобы прямой пролет микрокапель с рабочей поверхности катода внутрь отверстия был невозможен. После экстракции ионов, их ускорения в пространстве дрейфа осуществляется баллистическая фокусировка ионного пучка на мелкоструктурной сетке 3, обеспечивающая увеличение плотности ионного тока на 2-3 порядка. Транспортировка и фокусировка ионного потока осуществляется в условиях компенсации пространственного заряда ионного пучка. In the proposed method of ion-beam processing of the inner surface of extended holes, compensation of the beam space charge is provided by preliminary plasma injection into the drift equipotential space. Plasma injection is carried out in the intervals between voltage pulses that form the ion beam. In the case of using a vacuum arc plasma generator, it is necessary to exclude microdrops of a vacuum arc discharge inside the hole on the surface to be treated, which is achieved by using a screen in the form of disk 2 (Figure 1), which is installed between the cathode of the vacuum arc plasma generator and the workpiece. The screen diameter is selected empirically and in such a way that the direct passage of microdroplets from the working surface of the cathode into the hole was impossible. After the extraction of ions, their acceleration in the drift space, ballistic focusing of the ion beam on a fine-
Облучаемое изделие устанавливают вблизи фокальной плоскости ионного пучка и соосно с мелкоструктурной сеткой 3, выполненной в виде сферического сегмента. За областью минимального сечения (кроссовера) пучка начинается область его дефокусировки (расхождения). Расходящийся ионный пучок падает на внутреннюю боковую поверхность обрабатываемого изделия. Происходит имплантация ионов высокоинтенсивным пучком с плотностью тока в десятки - сотни миллиампер на квадратный сантиметр, которая сопровождается двумя конкурирующими процессами, а именно радиационно-усиленной диффузией имплантируемых атомов и ионным распылением обрабатываемой поверхности. Коэффициент радиационно-стимулированной диффузии возрастает на несколько порядков благодаря увеличению плотности ионного тока по сравнению с обычной имплантацией при плотностях тока не превышающих единиц миллиампер на квадратный сантиметр. Радиационно-усиленная диффузия имплантируемых атомов обеспечивает проникновение примеси на большие глубины, существенно превышающие проективный пробег ионов. Значительное ионное распыление обрабатываемой поверхности, особенно в условиях движения заряженных частиц по касательной к поверхности имплантации, компенсируется взаимным осаждением продуктов ионного распыления со всей внутренней поверхности отверстия. Компенсация ионного распыления обеспечивает высокоскоростную диффузию имплантируемых атомов на глубины в единицы и десятки микрон. Возвратно-поступательное перемещение обрабатываемого изделия вдоль его продольной оси на расстояние равное ± L/2 относительно фокальной плоскости ионного пучка обеспечивает формирование на внутренней поверхности изделия глубокого ионно-легированного слоя, однородного по его длине.The irradiated product is installed near the focal plane of the ion beam and coaxially with the fine-
Примеры практической реализации способа.Examples of the practical implementation of the method.
Пример 1. Исследования по имплантации ионов алюминия во внутренние поверхности отверстий изделия из титана проводились на комплексной технологической установке для ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов, на базе которой реализовано устройство с общей схемой, представленной на Фиг. 1. В качестве генератора плазмы использовался вакуумно-дуговой испаритель с катодом из алюминия. Формирование плазмы осуществлялось при токе разряда 130 А. Сеточный электрод, выполненный в виде сегмента сферы диаметром 200 мм с размером ячейки 0,5×0,5 мм2, устанавливался на расстоянии 390 мм от катода вакуумно-дугового испарителя. В качестве образца использовалась труба из титанового сплава ВТ1-0 с внутренним диаметром 25 мм и длиной 45 мм. Образец располагали по оси фокусировки пучка, на расстоянии 100 мм от сеточного электрода до входа в отверстие. Система перемещения образца позволяла возвратно-поступательно смещать обрабатываемую трубу на расстояние 20 мм в обе стороны от исходного положения. Сеточный электрод и облучаемые образцы подключались к высокочастотному импульсному генератору напряжения смещения отрицательной полярности. Генератор обеспечивал формирование импульсов отрицательного потенциала смещения амплитудой 1.4 кВ, при частоте следования импульсов 40 кГц и длительности импульсов 10 мкс. Баллистически сфокусированный пучок ионов алюминия с током 0,75 А за время имплантации 60 мин при частоте импульсов 40 кГц, длительности импульсов 10 мкс обеспечивал флюенс ионного облучения внутренней поверхности отверстия образца из титана порядка 5,5·1019 ион/см2. Касательное падение ионов на внутреннюю поверхность отверстия сопровождалось ионным распылением. В тоже время, распыляемые атомы осаждались на ту же внутреннюю поверхность отверстия, компенсируя ионное распыление. Как видно из Фиг. 3, в результате имплантации ионов алюминия в титан в течение 60 мин в условиях радиационно-усиленной диффузии при температуре образца 810 ºС, произошла диффузия алюминия на глубину около 7,5 мкм. Измерение распределения элементов по глубине в поперечных шлифах образцов проводилось рентгеноспектральным методом, и было выполнено с помощью энергодисперсионной приставки «Bruker XFlash 4010» к электронному микроскопу «Hitachi S-3400 N». Очевидно, что возвратно-поступательное перемещение образца, вдоль оси пуча в области фокуса, обеспечило достаточно однородную по глубине ионную обработку поверхности протяженного отверстия.Example 1. Studies on the implantation of aluminum ions into the inner surfaces of the holes of a titanium product were carried out on a complex technological installation for ion-beam and ion-plasma processing of materials, on the basis of which a device with a general scheme shown in Fig. 1. A vacuum-arc evaporator with an aluminum cathode was used as a plasma generator. Plasma formation was carried out at a discharge current of 130 A. The grid electrode, made in the form of a segment of a sphere with a diameter of 200 mm with a cell size of 0.5×0.5 mm 2 , was installed at a distance of 390 mm from the cathode of the vacuum-arc evaporator. A pipe made of titanium alloy VT1-0 with an inner diameter of 25 mm and a length of 45 mm was used as a sample. The sample was placed along the beam focusing axis, at a distance of 100 mm from the grid electrode to the entrance to the hole. The sample movement system made it possible to reciprocate the processed pipe at a distance of 20 mm in both directions from the initial position. The grid electrode and the irradiated samples were connected to a high-frequency pulsed negative bias voltage generator. The generator ensured the formation of negative bias potential pulses with an amplitude of 1.4 kV at a pulse repetition rate of 40 kHz and a pulse duration of 10 μs. A ballistically focused beam of aluminum ions with a current of 0.75 A for an implantation time of 60 min at a pulse frequency of 40 kHz, a pulse duration of 10 μs provided an ion irradiation fluence of the inner surface of the titanium sample hole of the order of 5.5 10 19 ions/cm 2 . The tangential fall of ions onto the inner surface of the hole was accompanied by ion sputtering. At the same time, sputtered atoms were deposited on the same inner surface of the hole, compensating for ion sputtering. As seen from FIG. 3, as a result of the implantation of aluminum ions into titanium for 60 min under conditions of radiation-enhanced diffusion at a sample temperature of 810 ºС, aluminum diffused to a depth of about 7.5 μm. The depth distribution of elements in the transverse sections of the samples was measured by the X-ray spectral method, and was performed using a Bruker XFlash 4010 energy-dispersive attachment to a Hitachi S-3400 N electron microscope. It is obvious that the reciprocating movement of the sample along the beam axis in the focus region ensured a fairly uniform in depth ion treatment of the surface of the extended hole.
Пример 2. Исследования по имплантации ионов азота во внутренние поверхности отверстий изделия из жаропрочной нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т были выполнены с использованием источника непрерывной газоразрядной плазмы с накаленным катодом. Плазменный источник функционировал при давлении азота в рабочей камере 0.6 Па и при этом ток разряда устанавливался 30 А. Расстояние между выходом генератора газоразрядной плазмы и сеточным электродом составляло примерно 130 мм, что позволило получить в фокальной области пучка ток ионов реакционного газа азота около 0,5 А. В качестве образца использовалась труба из нержавеющей стали с внутренним диаметром 25 мм и длиной 45 мм. В процессе ионной обработки труба возвратно-поступательно смещалась на расстояние 20 мм в обе стороны от его исходного положения. Генерация ионных пучков осуществлялась с помощью импульсно-периодических потенциалов смещения отрицательной полярности с амплитудой 1.4 кВ, при частоте следования импульсов 40 кГц и длительности импульсов 10 мкс. С учетом того, что ионы азота были однозарядными, флюенс ионного облучения поверхности образца той же площади при температуре 500 ºС, но выполненного из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, за время 60 мин составлял 6·1019 ион/см2. Фиг. 4 демонстрирует распределение азота по глубине в нержавеющей стали по всей длине поверхности образца. Толщина ионного легированного слоя составила примерно 9 мкм с хорошей однородностью по всей поверхности отверстия.Example 2. Studies on the implantation of nitrogen ions into the inner surfaces of the holes of a product made of heat-resistant stainless steel of the austenitic class 12X18H10T were performed using a source of continuous gas-discharge plasma with a heated cathode. The plasma source operated at a nitrogen pressure in the working chamber of 0.6 Pa, and the discharge current was set at 30 A. The distance between the output of the gas-discharge plasma generator and the grid electrode was approximately 130 mm, which made it possible to obtain a current of nitrogen reaction gas ions in the focal region of the beam of about 0.5 A. A stainless steel pipe with an inner diameter of 25 mm and a length of 45 mm was used as a sample. During the ion treatment, the tube was reciprocally displaced by a distance of 20 mm in both directions from its initial position. Ion beams were generated using repetitively pulsed bias potentials of negative polarity with an amplitude of 1.4 kV at a pulse repetition rate of 40 kHz and a pulse duration of 10 μs. Taking into account the fact that nitrogen ions were singly charged, the fluence of ion irradiation of the surface of a sample of the same area at a temperature of 500 ºС, but made of stainless steel 12Kh18N10T, for a time of 60 min was 6 10 19 ion/cm 2 . Fig. 4 shows the depth distribution of nitrogen in stainless steel over the entire length of the sample surface. The thickness of the ion doped layer was approximately 9 μm with good uniformity over the entire surface of the hole.
Таким образом, разработан новый способ ионно-лучевой обработки внутренней поверхности протяженных отверстий, при котором в результате имплантации металлов и газов высокоинтенсивными пучками баллистически сфокусированных ионов в условиях уменьшения ионного распыления поверхности за счет осаждения продуктов распыления на ту же поверхность и при возвратно-поступательном перемещении образца относительно фокальной плоскости пучка толщина ионно-модифицированного слоя составила 7-9 мкм, что превышает на несколько порядков проективный пробег ионов в сочетании с высокой однородностью ионного легирования материалов по всей протяженной поверхности отверстия.Thus, a new method of ion-beam treatment of the inner surface of extended holes has been developed, in which, as a result of the implantation of metals and gases by high-intensity beams of ballistically focused ions, under conditions of a decrease in ion sputtering of the surface due to the deposition of sputtering products on the same surface and during reciprocating movement of the sample relative to the focal plane of the beam, the thickness of the ion-modified layer was 7–9 μm, which exceeds the projective range of ions by several orders of magnitude in combination with the high uniformity of ion doping of materials over the entire extended surface of the hole.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2781774C1 true RU2781774C1 (en) | 2022-10-18 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61133377A (en) * | 1984-12-03 | 1986-06-20 | Hitachi Ltd | Ion implantation method |
| US5264707A (en) * | 1991-11-05 | 1993-11-23 | Takata Corporation | Ion implantation method |
| RU2114211C1 (en) * | 1996-10-22 | 1998-06-27 | Сибирский химический комбинат | Process of machining of surface of long-length holes of metal articles in glow discharge |
| US8562800B2 (en) * | 2008-03-27 | 2013-10-22 | Ferrotec Corporation | Plasma generating apparatus and plasma processing apparatus |
| US9852879B2 (en) * | 2013-03-08 | 2017-12-26 | Canon Anelva Corporation | Ion beam processing method and ion beam processing apparatus |
| RU2666766C1 (en) * | 2017-12-28 | 2018-09-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method substance ion implantation |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61133377A (en) * | 1984-12-03 | 1986-06-20 | Hitachi Ltd | Ion implantation method |
| US5264707A (en) * | 1991-11-05 | 1993-11-23 | Takata Corporation | Ion implantation method |
| RU2114211C1 (en) * | 1996-10-22 | 1998-06-27 | Сибирский химический комбинат | Process of machining of surface of long-length holes of metal articles in glow discharge |
| US8562800B2 (en) * | 2008-03-27 | 2013-10-22 | Ferrotec Corporation | Plasma generating apparatus and plasma processing apparatus |
| US9852879B2 (en) * | 2013-03-08 | 2017-12-26 | Canon Anelva Corporation | Ion beam processing method and ion beam processing apparatus |
| RU2666766C1 (en) * | 2017-12-28 | 2018-09-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method substance ion implantation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ryabchikov et al. | High intensity metal ion beam generation | |
| Ryabchikov | Progress in low energy high intensity ion implantation method development | |
| US3845312A (en) | Particle accelerator producing a uniformly expanded particle beam of uniform cross-sectioned density | |
| Ryabchikov et al. | Modification of the microstructure and properties of martensitic steel during ultra-high dose high-intensity implantation of nitrogen ions | |
| Koval et al. | Electron sources with plasma grid emitters: Progress and prospects | |
| RU2781774C1 (en) | Method for ion-beam treatment of the inner surface of extended holes | |
| WO2022136843A1 (en) | Additive manufacturing using powder bed fusion | |
| Koval et al. | Formation of high intensity ion beams with ballistic focusing | |
| Belchenko et al. | Negative ion surface-plasma source development for fusion in Novosibirsk | |
| Ryabchikov et al. | Features of the formation of ultralow energy high-intensity metal and gaseous ion beams | |
| Ryabchikov et al. | Generation of High-Intensity Aluminum-Ion Beams at Low Energy | |
| Ryabchikov et al. | Formation of High-Power Pulsed Titanium Ion Beams of Submillisecond Duration from Vacuum Arc Plasma | |
| Ryabchikov et al. | Regularities of plasma-immersion formation of long-pulse high-intensity titanium ion beams | |
| DE4336680C2 (en) | Process for electron beam evaporation | |
| RU2078847C1 (en) | Method and apparatus for ionic treatment of machines pieces and tools | |
| RU2619543C1 (en) | Pulse electron-beam metal product surface polishing method | |
| Sivin et al. | Gas-discharge plasma application for ion-beam treatment of the holes’ inner surfaces | |
| Ryabchikov et al. | Plasma-immersion formation of high-intensity ion beams | |
| Ryabchikov et al. | Study of the regularities of low-and super-low-energy high-intensity metal ion beams formation | |
| RU2666766C1 (en) | Method substance ion implantation | |
| Perry et al. | An overview of some advanced surface technology in Russia | |
| Shin et al. | The deflection of a wide electron beam from the longitudinal axis of the source with a plasma cathode and plasma anode | |
| Ryabchikov et al. | Formation, Focusing and Transport of Highintensity, Low-Energy Metal Ion Beams | |
| Hrechkо et al. | Bombardment of the surface by a low-energy ion flow accelerated in the near-surface layer of the space charge | |
| RU2778246C1 (en) | Device for processing products with fast atoms |