Разработка комбинированных методов импульсной лазерно-магнитной и ионно-лучевой обработки поверхности деталей и инструмента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Тихонов, Сергей Александрович

• Тихонов, Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Тихонов, Сергей Александрович

Оглавление

Введение

Глава 1. Анализ существующих методов обработки поверхности лазерными и ионными пучками и постановка задач исследований

1.1. Физические основы взаимодействия ионов с твердыми телами и проблемы полиэнергетической ионной имплантации при модификации свойств поверхности деталей

1.2. Сущность лазерно-магнитной обработки материалов

1.3. Целесообразность обработки объектов машиностроения импульсными высокоэнергетическими пучками

1.4. Постановка задач исследования

Глава 2. Особенности лазерно-магнитного воздействия на материал

2.1. Экспериментальное оборудование и методики исследования

2.2. Влияние магнитного поля на форму светоэрозионного факела

2.3. Прозрачность светоэрозионного факела при лазерно-магнитном воздействии на материал

2.4. Динамика изменения температуры светоэрозионного факела

Выводы по главе 2

Глава 3. Исследование процесса полиэнергетической высокодозной ионной имплантации

3.1. Техника ионной имплантации и методики исследований

3.2. Исследование концентрационного профиля имплантируемых элементов в материале

3.3. Моделирование процесса полиэнергетической высокодозной ионной имплантации

Выводы по главе 3

Глава 4. Экспериментальное изучение модифицирующего эффекта высокоэнергетических пучков

4.1. Влияние лазерно-магнитной обработки на микроструктуру сталей

4.2 Влияние ЛММ на механические характеристики объектов обработки

4.2.1. Микротвердость и структура зоны упрочнения

4.2.2. Прочностные испытания

4.2.3. Повышение износостойкости

4.3. Изменения физико-механические и коррозионных свойств методом ионно-лучевой модификации

4.3.1. Микротвердость

4.3.2. Трибологические характеристики

4.3.3. Коррозионная стойкость

Выводы по главе 4

Глава 5. Развитие лазерно-магнитной и ионно-лучевой модификации

5.1. Оценка перспектив развития ЛММ

5.2. Комбинированное воздействие лазерных и ионных пучков

5.3. Примеры практического использования ЛММ и ИЛМ для обработки поверхности деталей и инструмента

Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение 1 Программа моделирования процесса полиэнергетической ионной имплантации

Приложение 2 Результаты трибологических испытаний

Приложение 3 Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка комбинированных методов импульсной лазерно-магнитной и ионно-лучевой обработки поверхности деталей и инструмента»

Введение

Ионно-лучевая и лазерно-магнитная модификация (ИЛМ и ЛММ, соответственно) позволяют решать целый ряд проблем машиностроения, приборостроения и авиастроения за счет целенаправленного изменения свойств поверхностных слоев режущего и измерительного инструмента, деталей приборов и машин, элементов технологической оснастки путем упрочнения и легирования, позволяя повысить их стойкость и долговечность, сократить длительность производственного цикла, уменьшить количество подготовительных операций и использовать стандартное оборудование.

Комбинированный метод лазерно-магнитной модификации при обработке материалов, основанный на синергетическом воздействии лазерного излучения и магнитного поля, позволяет решать многие технологические задачи, которые невозможно выполнить на базе существующих технологий. Присутствие магнитного поля при взаимодействии лазерного излучения с материалами оказывает существенное влияние на развитие термо-, газо- и гидродинамических процессов, приводит к изменению тепло- и массопереноса в зоне действия лазерного излучения, характера истечения продуктов световой эрозии, сдвигу температуры и скорости фазовых переходов в материалах, локальному нагреву областей сосредоточения неоднородностей, сжатию и замагничиванию светоэрозионной плазмы. Данные особенности открывают широкие возможности по интенсификации лазерных технологических процессов в области размерной обработки, упрочнения и легирования.

При ионно-лучевой модификации на поверхность детали и инструмента воздействуют потоком высокоэнергетических ионов, вызывающих изменение элементного состава (легирование), структурного и фазового состояния приповерхностных слоев. С помощью этого метода удается направленно изменять такие свойства материалов, как микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость, а также ряд специальных характеристик.

Для ИЛМ широкое распространение получили бессепарационные технологические имплантеры с вакуумно-дуговыми импульсными ионными

источниками металлов типа MEVVA (metal vapor vaccuum arc), обладающие высокой производительностью. Данные источники имеют сложный состав ионного пучка как по зарядности ионов, так и их энергиям. Поскольку энергия однозарядных ионов определяется ускоряющим напряжением, а энергии многозарядных ионов являются кратными энергии однозарядных, подобная технология ионной имплантации является полиэнергетической. Это обстоятельство затрудняет как контроль флюенса облучения, так и прогнозирование концентрационного профиля элементов, имплантированных в процессе обработки, и определяет необходимость теоретического и экспериментального изучения процесса полиэнергетической ионной имплантации с анализом полученных результатов в рамках существующих представлений модификации поверхности высокоэнергетическими потоками.

Широкая номенклатура изделий инструментальной промышленности и машиностроения требует создания новых ресурсосберегающих технологических процессов, повышающих свойства поверхности изделий, их надежность и долговечность. В этой связи раскрытие физической сущности механизмов модификации поверхности деталей и инструмента импульсными лазерными и ионными пучками, управление этими процессами, а также создание на их базе новых, в том числе, комбинированных технологий актуальны не только в теоретическом, но и в прикладном аспектах.

Цель работы. Разработка и исследование физико-технологических основ импульсных процессов лазерно-магнитной и ионно-лучевой обработки поверхности деталей и инструмента для разработки ресурсосберегающих комбинированных технологий, способствующих повышению эксплуатационных характеристик обрабатываемых объектов и обеспечивающих экономию стратегических материалов.

Положения, выносимые на защиту: - результаты экспериментального исследования влияния внешнего магнитного поля на светоэрозионный поток при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью сталей;

- методика прогнозирования профиля распределения внедренной примеси при полиэнергетической ионной имплантации для использования в технологическом процессе и написание программы для ЭВМ, позволяющей оптимизировать процесс ИЛМ;

- результаты исследования влияния основных технологических факторов импульсной полиэнергетической ионной имплантации на распределение внедренной примеси в поверхностном слое изделия;

- результаты физико-механических и коррозионных испытаний поверхностных слоев стальных деталей и инструмента, модифицированных методами ЛММ и ИЛМ;

- разработка основ нового способа комбинированной ионно-лучевой и лазерной модификации поверхности.

Научная новизна.

1. Впервые установлен характер влияния постоянного магнитного поля на светоэрозионный факел, образующийся при лазерном термоупрочнении сталей и изменяющий структуру и глубину упрочненного слоя;

2. Впервые определены закономерности формирования вида концентрационного профиля распределения внедренной примеси при полиэнергетической высокодозной ионной имплантации с использованием импульсного вакуумно-дугового ионного источника;

3. Впервые разработан алгоритм прогнозирования профиля распределения внедренной примеси в материал при высокодозной полиэнергетической ионной имплантации для использования в технологическом процессе и написана соответствующая компьютерная программа;

4. Сформулированы основные технологические принципы нового способа комбинированной ионно-лучевой и лазерной модификации поверхности. Экспериментально показана перспективность развития данного направления для обработки материалов.

Практическая ценность. Разработанные технологии ЛММ и ИЛМ пригодны для упрочнения широкого круга режущего инструмента (резцов, сверл, фрез,

разверток и т.д.); измерительного инструмента (калибры, лекала, нутромеры); деталей приборов и агрегатов, работающих в агрессивных средах и в условиях трения (подшипники, валы, оси, шестерни и т.д.), изготовленных из сталей марок: ст.45, ЗОХГСА, Р9, 20X13, 40X13, У8, У10, ШХ15.

Технологии JIMM и ИЛМ использованы в производственном процессе ООО «Сталь ФМ», ОАО «РСК «МИГ» и ЗАО «Имплант-МТ».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на ежегодных научно-технических конференциях МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского "Гагаринские чтения" Москва 1995-2013 г.г.; на Второй международной конференции MPSL'96 г. Сумы, 1996; на II региональной научно-практической конференции г. Новомосковск 1997г.; на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" Москва 1997-2012 г.г.; на международных научных конференциях "Взаимодействие ионов с поверхностью", 1999г.,2004г.; на 12-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» Москва, 2013 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 30 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и 3 приложений; содержит 155 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 91 рисунок.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры «Технология производства приборов и информационных систем управления летательных аппаратов» (МАТИ), сотрудникам НИИЯФ МГУ и ведущей организации за помощь в выполнении исследований и обсуждении полученных результатов.

Глава 1. Анализ существующих методов обработки поверхности лазерными и ионными пучками и постановка задач исследований

1.1. Физические основы взаимодействия ионов с твердыми телами и проблемы полиэнергетической ионной имплантации при модификации

свойств поверхности деталей

Ионная имплантация - высокоэффективный физический метод научных исследований и технологической обработки, основанный на взаимодействии управляемых потоков высокоэнергетических ионов с поверхностью твердого тела для направленного изменения его свойств, связанных с атомной структурой. При ионной имплантации обрабатывающие ионы преодолевают поверхностный энергетический барьер, внедряются в поверхностный слой, вызывая повышение концентрации атомов обрабатывающего вещества в последнем; внедрению сопутствует мощное радиационное воздействие, связанное с рассеянием кинетической энергии ионов в сопротивляющейся среде обрабатываемого материала и приводящее к дефектообразованию. Таким образом, ионная имплантация охватывает два взаимосвязанных процесса-внедрение (легирование) и радиационную обработку (дефектообразование). Однако в зависимости от целевого назначения проводимой обработки возможен такой выбор режимов и условий имплантации, когда технологически существенным оказывается лишь один из аспектов этого двуединого процесса [1,2,3].

При воздействии ионными потоками в поверхностном слое материалов происходит комплекс явлений, включающий изменение элементного состава модифицированного слоя как с созданием твердых растворов, так и с формированием и выделением новых фаз. В кристаллических материалах может происходить изменение параметров решетки и ее типа, размеров и ориентации зерен и блоков кристаллов, вплоть до аморфизации, появления радиационных дефектов вакансионного и дислокационного типов, создания внутренних сжимающих и растягивающих напряжений. В зависимости от параметров ионной

имплантации, происходит изменение свойств поверхностного слоя материалов, таких, как твердость, усталость, смазочное действие, изнашивание, коэффициент трения, коррозионная стойкость, электрохимическое состояние, каталитическое действие, связи на поверхности, отражательная способность, адгезия, эмиссионные и эрозионные свойства [1,2].

При обработке конструкционных материалов приборостроения существенное изменение свойств происходит при достижения концентрации примесей по плотности, сравнимой с плотностью твердого тела. Для этого необходимые дозы облучения составляют порядка 1016-1018 ион/см2 (диапазон высоких доз). Для высокодозной ионной имплантации (ВИИ) - используют ионы с энергией, при которой их пробег в материале превышает толщину распыленного слоя. При энергии ионов « 104-10б эВ глубина залегания ионов составляет 0,1-1мкм [2-4].

Высокодозную ионную имплантацию можно рассматривать как сложное химическое, термическое и механическое воздействие на материалы. ВИИ обладает рядом преимуществ перед другими способами обработки материалов (например напылением):

1) увеличение растворимости в твердом состоянии;

2) возможность внедрения любого элемента в поверхность любого твердого тела, в том числе взаимно не растворимых элементов;

3) независимость образования сплава от констант диффузии,

4) возможность быстрого изменения состава сплава;

5) независимость поверхностных процессов от протекающих в объеме;

6) возможность процесса при низких температурах;

7) незначительное изменение размеров обрабатываемого изделия;

8) отсутствие проблемы адгезии, так как не существует ярко выраженная поверхность раздела;

9) контролируемая глубина распределения примеси;

10) вакуумная чистота, высокая контролируемость и воспроизводимость.

В зависимости от параметров и сорта ионного потока в имплантированном

(около 0,1-1мкм) слое мишени происходит образование твердых растворов (в том числе с напряженной решеткой), новых соединений, формирование и выделение новых фаз (например, мелкодисперсных

карбидов), уменьшение блочности кристаллов, образование хорошо развитой дислокационной структуры. Это делает эффективным применение ВИИ в случаях, когда не происходит сильное изнашивание поверхности (химические реакции, отражательная способность и т.д.). Для сильно нагруженных поверхностей малая глубина пробега ионов делала бы ВИИ малоэффективной, однако исследования на трение и износ, показали сохранение улучшенных свойств при стирании образцов до глубины в десятки микрон [1,17]. Такие толщины также позволяют использовать ВИИ для упрочнения инструментальных и конструкционных сталей и других материалов приборостроения.

Изменение свойств на столь значительных глубинах может быть следствием радиационно-стимулированной диффузии точечных дефектов и образования дислокационных петель, которые вызывают искажение решетки и упрочняют металл. В процессе бомбардировки ионами с энергией в 104 -105 эВ создается поток межузельных атомов вглубь образца к свободным поверхностям, границам зерен и дислокациям, вызывая переползание последних. Взаимодействие краевых дислокаций с межузельными петлями и петель между собой приводит к образованию мелких вакансионных петель и свободных вакансий [17]. Процесс создания дополнительных вакансионных дефектов, образованных не в каскаде соударений, а на существенно больших глубинах в результате взаимодействия дислокаций при их переползании, является характерным для ионного облучения, в отличие от нейтронного и у-облучения. Таким образом, радиационные дефекты и упругие напряжения могут проникать на значительно большие глубины, чем имплантированные атомы, оказывая существенное влияние на свойства поверхностного слоя металлов.

В основном, модификацию конструкционных материалов методом ионной имплантации (ИИ) осуществляли с использованием источников газовых ионов, разработанных для потребности физики высоких энергий [7,8]. Для ионов

металлов более расширен диапазон изменения свойств материалов, поэтому при внедрении технологий ИИ на первый план встает необходимость использования простых, технологичных, высокопроизводительных источников ионов металлов.

В настоящее время интенсивно развиваются работы по модификации свойств конструкционных материалов ионно-плазменными потоками, позволяющими изменять физико-механические, электрофизические, электрохимические свойства поверхностного слоя материалов и изделий из них [9]. В этих работах снижаются требования к моноэнергетичности и чистоте ионного пучка при необходимости повышения производительности (дозы обработки 1016-1018 см"2) и площади обрабатываемых изделий (соответственно, ионного пучка) до 10"-10 см".

Высокую производительность имеют бессепарационные технологические имплантеры с вакуумно-дуговыми импульсными ионными источниками металлов типа MEVVA (metal vapor vaccuum arc) [6, 12], однако данные источники имеют сложный состав ионного пучка как по зарядности ионов, так и их энергиям [3, 912]. Энергия однозарядных ионов определяется ускоряющим напряжением, энергии многозарядных ионов являются кратными энергии однозарядных, следовательно, данная ионная имплантация является полиэнергетической. Это обстоятельство затрудняет как контроль флюенса облучения с помощью измерения заряда, прошедшего в цилиндр Фарадея, так и прогнозирование концентрационного профиля элементов, имплантированных в процессе полиэнергетической имплантации.

Поэтому, для более точного определения концентрации внедренной примеси, необходимо систематическое экспериментальное изучение закономерностей формирования поверхностного слоя материала при полиэнергетической ионной имплантацией с анализом полученных результатов в рамках существующих представлений модификации поверхности высокоэнергетическими потоками.

Оборудование для ионной имплантации металлических материалов Вопросы разработки ионных источников, формирование ионных пучков, их

сепарация и анализ работы ионных ускорителей подробно рассмотрены в работах [3-5]. В настоящее время в мире выпускается около 400 типов промышленных ионных имплантеров, которые в основном используются в технологии микроэлектроники. Кроме промышленных существует несколько сот типов лабораторных исследовательских установок.

К особенности ионной имплантации металлов следует отнести: необходимость достижения больших доз (более 1017 см"2), широкий ассортимент используемых ионов, необходимость обработки достаточно больших и сложных форм поверхностей. Перечисленные особенности в большинстве случаев затрудняют использование для ионной имплантации металлов традиционных имплантеров, а промышленное применение требует создания достаточно простых по конструкции, универсальных по типам получаемых ионов, надежных и долговечных в эксплуатации сильноточных имплантеров.

Для развития ионной имплантации металлических материалов большое значение имеет разработка новых ионных источников и специальных камер для мишеней, в которых возможна обработка различных деталей и инструмента. Существующие электромагнитные сепараторы для разделения изотопов позволяют создавать пучки током от 10 до 300 мА, но их использование в сильноточных имплантерах для обработки металлов значительно увеличивает стоимость и габариты установок. Применение ионной имплантации к изделиям с большей площадью обрабатываемой поверхности требует создания специальных установок путем модификации существующих систем или создания новых. Поскольку при работе сильноточных имплантеров необходима расфокусировка ионного пучка на большую площадь облучаемой поверхности для устранения чрезмерного нагрева образцов, наметилась тенденция к созданию импульсных бессепарационных имплантеров с широкоапертурными и высоко интенсивными источниками ионов, обеспечивающих достаточно однородный ионный пучок. При решении большого круга практических задач по ионной обработке металлов требование к чистоте ионного пучка и однородности имплантации могут быть существенно снижены в сравнении с требованиями при имплантации в

полупроводниковые материалы. Для реализации таких имплантеров существуют различные типы ионных источников: дуговой, искровой и лазерный. В таблице 1.1 представлены основные параметры бессепарационных имплантеров с различными источниками ионов [4].

Анализ работ [14-20], посвященных имплантерам ионов металлов, показывают присутствие в пучке ионов нескольких зарядностей с 1+ до 6+, что служит основанием для полиэнергетической ионной имплантации, т.е. ионной имплантацией, при которой используют не одно, а ряд значений энергий ионов, т.к. энергия ионов определяется ускоряющим напряжением и их зарядностью.

Таблица 1.1- Основные параметры бессепарационных имплантеров

тип имплантера

с дуговым источником с искровым с лазерным Z-100 с ионным

параметр источником (США) [17] источником (СССР) [14,18] источником Фримана [19]

(СССР) [151 (США) [161

1 2 3 4 5 6

Рабочее Любое Любое Любое Любое вещество; Азот;Г,2+

вещество и тип проводящее проводящее проводящее 1\2+,ЗМ+

получаемых ионов* вещество; Г,2\3' вещество; Г 2" 3^ вещество; Г,2\3\4+

Переход к Смена Смена Смена В источнике -

другому типу катода катода электрода одновременно

ионов помещается 20 различных мишеней

Размеры пучка, 0 100-200 0 50-70 0 60 0 40-75 200x20

мм

Однородность 70-95 50 - 95 -

пучка,%

Энергия ионов, 20-150 20-100 80 5-75 100

кэВ

Длительность 100-50 300 6 5-10 Непрерывный

импульсов, МКС режим

Импульсное 1 0.5-1 2 0.1-1 -

значение тока,

А

Частота 10-50 10 32 До 100 -

следование, Гц

Средний ток, 15 2 0.1 0.3-1 7

мА

1 2 3 4 5 6

Рабочее 2'10'J 1<Г3 510"4 10"4 -

давление, Па

Габариты, м - 1.5x1.5x1.5 - - 1.5x2.0x1.7

Масса, кг - 500 - - 800

*- подчеркнут основной тип ионов в пучке

Основные теоретические положения ионной имплантации

Прохождение ионов через твердые тела сопровождается столкновениями с частицами среды, которые приводят к торможению и изменению направления движения ионов, смещению атомов кристалла из узлов решетки, распылению материала мишени. Процессы взаимодействия иона с твердым телом существенно зависят от энергии иона. Для ионной имплантации металлов применяются энергии ионов Е=10—100 кэВ. Для указанного диапазона энергий основными механизмами торможения ионов являются:

1) ядерные или упругие столкновения для ионов с низкими скоростями, когда налетающая частица передает свою энергию атомам мишени в упругих столкновениях, что вызывает образование смещенных из равновесных положений атомов, т.е. атомов отдачи;

2) электронные или неупругие столкновения для быстрых ионов, т.е. возбуждение и ионизация электоронов тормозящей среды.

Для описания торможения частиц с энергией Е применяют понятия потерь энергии АЕ на пути Ах в мишени (-АЕ/Ах) и тормозной способности вещества (-с!Е/с1х) или сечения электронного (индекс "е") и ядерного (индекс "п") торможения 8С;П = ((1Е/с1х)е1 „/N1, где N - атомная плотность мишени.

При упругом взаимодействии процессы ионно-атомного рассеяния адекватно описываются на основе классической физики, что показали Бор [13] и Линдхард с сотрудниками [14,15]. При сближении иона с атомом мишени происходит упругое взаимодействие, описываемое энергией ион-атомного

взаимодействия У(Л) и силой взаимодействия Р = ^гас! V (см. рис.1.1).

В результате упругого столкновения происходит передача импульса Р2 = М2у2 и кинетической энергии, равной Е2 = у Е зт2(ф/2) в лабораторной системе координат (ЛСК), где ф - угол поворота иона в системе центра масс.

Углы отклонения частиц после столкновения по отношению к направлению удара (ЛСК) 0] и 02 выражаются через (р:

/ (м,

02 = (я-<р)/2,

Г (М,+М2)2'

4М,М,

где М) и - атомная масса иона и атома мишени соответственно.

Ф/2Х0 , х/(1 +А)

Рисунок 1.1 - Схема столкновения двух частиц: путь: 1-иона; 2-центра масс; 3-атома мишени; 4-начальное положение атома мишени; р-прицельный параметр; х-координата, характеризующая положение центра масс, когда расстояние между двумя частицами минимально

Для того, чтобы количественно определить параметры рассеяния иона на атомах мишени надо знать потенциалы ион-атомного взаимодействия. Приведем некоторые из часто используемых потенциалов взаимодействия:

а) Кулоновский потенциал - для взаимодействия атомов или для скоростей ионов, существенно превышающих орбитальные скорости электронов атома мишени

У(я)= 2х12е2/г, где Ъ\ и - заряды ядра иона и атома мишени; е - заряд

электрона; г - расстояние между частицами.

б) Потенциал Бора, учитывающий экранирование зарядов ядер электронами

в) Модель твердых шаров, когда заряды ядер полностью экранируются зарядами

V(г) = (г,г2е2/г)ехр (-г/а),

где а - радиус экранирования:

а0 = 0,529А - радиус Бора

о

орбитальных электронов

/ ч Г 0 при г > Rп V{r)=\ У 0

[ со при г < R 0 ,

где R0 - диаметр твердых сфер, определяющий расстояние максимального сближения.

Подробный анализ различных потенциалов взаимодействия двух атомных частиц проведен в [3].

Зная вид V(r) можно определить дифференциальное сечение рассеяния dan на угол ф, после чего может быть определена ядерная тормозная способность

Ет

Sn = jEndan(En),

0

где Ел и Ет - энергия передаваемая атому в столкновении и ее максимальное значение, соответственно.

С возрастанием энергии возрастают неупругие потери энергии, которые расходуются на электронные переходы, возбуждение коллективных колебаний электронов и т.д. Сечение неупругого торможения определяется аналогично, как:

где deje - дифференциальное сечение передачи энергии электронам атома в диапазоне от Ее до Ee+dEc.

Потеряв свою энергию в столкновении с атомами мишени, ион остановится, пройдя путь, называемый полным пробегом иона в твердом теле или просто пробегом R. Траектория пробега представляет собой ломаную линию. Проекцию пробега R на начальное направление движения иона называют средним проективным пробегом Rp Пробег иона определяют по формуле:

1 г dE

R = — Í

>j J

N ¿8п(Е)+8е(Е) ' а его среднее отклонение (страгглинг) ДR и ДRp рассчитывают по теории Линдхарда, Шарфа и Шиотта (теория ЛШШ) [16]. Пробеги Я и Яр и их страгглинги являются важными параметрами для определения распределения

атомов в мишени.

Изменение физико-химических свойств поверхности облученного материала зависит от дозы внедренной примеси и ее пространственного распределения. При моноэнергетическом легировании атомы примеси распределены по глубине материала в сильной мере неоднородно (рис. 1.2.), что часто является недостатком этого метода. Распределение концентрации внедренных в мишень ионов 1чГ(х) носит характер гауссового распределения [3-5] и определяется выражением:

М(Х):

N,

л&ДЯ

-ехр

2АЯ:

(1.1)

где: х - расстояние от поверхности; Яр-проективный пробег; АЯр-среднее отклонение (страгглинг) проективного пробега; N0- флюенс облучения.

Максимальная концентрация внедренной примеси выражается соотношением:

^тах = М,/л/2яДК.р (1-2)

Указанные выражения не учитывают обратного рассеяния ионов (что на практике не важно для исследуемого диапазона энергий), а также движения границы (поверхности) твердого тела в результате ионного распыления, которое оказывает большое влияние на распределение внедренной примеси.

100 200 Глубина, ни

Рисунок 1.2 - Профиль распределения атомов титана, имплантированных в сталь с энергией 190 кэВ и дозой 41017 см"2

При высокодозной ионной имплантации в металлы существенное влияние на профиль внедренной примеси оказывает распыление поверхности материала.

Распыление - это явление, при котором атомы в твердом теле, лежащие близко к поверхности, получают от иона энергию, достаточную для выхода в окружающую среду. При облучении твердого тела ионами за счет упругих столкновений иона с атомом среды последний получает определенную кинетическую энергию. Этот атом затем сталкивается с другими атомами, образуя каскад атомных столкновений. Такой механизм распыления считается наиболее универсальным и при энергиях ионов > 1кэВ применим к рассмотрению бомбардировки всех твердых тел ионами. Обычно, только небольшая часть энергии ионов идет на распыление мишени, а остальная превращается в тепло и расходуется на образование объемных радиационных нарушений, ионизации, а также вторичных излучений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тихонов, Сергей Александрович, 2014 год

Список литературы.

1.Хирвонен Дж.К. Ионная имплантация / Под ред. Хирвонена Дж.К. -М: Металлургия, -1985. -392 с.

2. Поут Дж.М. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными- пучками / Под ред. Дж.М. Поута. -М: Машиностроение, -1987. -424 с.

3. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы / Комаров Ф.Ф. -М.: Металлургия, -1990. -216 с.

4. Быковский Ю.А. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов/ Быковский Ю.А., Неволин B.H., Фоминский В.Ю. -М.:Энергоатомиздат.-1991. -240 с.

5. Симонов В.В. Оборудование ионной имплантации/ Симонов В.В., Корнилов Л.А., Шашелев A.B., Шокин E.B. -М. :Радио и связь. -1988. -184 с.

6. Браун Я.М. Физика и технология источников ионов/ Под ред. Я.М. Брауна. -М.: Мир, -1998. -496 с.

7. Габович М.Д. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей/ Габович М.Д., Плешивцев H.B., Семашко H.H.-M.: Энергоатомиздат. -1986. -248 с.

8. Быстрицкий В.М. Мощные ионные пучки / Быстрицкий В.М., Диденко А.Н.. -М.: Энергоатомиздат. -1984. -152 с.

9. Погребняк А.Д. Применение ионно-плазменных потоков металлов для обработки конструкционных материалов / Погребняк А.Д., Толопа А.М.// Аналитический обзор. Харьковский МТЦПТИ, -Харьков. -1990. -34 с.

10. Brown I. G. // Rev.Sci. Instrum. -1994. -V. 65. -Р. 3061

11.С.Б. Новичков, А.Г. Строганов.//Сб. научных трудов "Линейные ускорители электронов сантиметрового диапазона длин волн" под ред. И.С. Щедрина. -Москва, МИФИ, -1991. -с.55-58.

12. Арбузов Н.М. Высокоинтенсивный частотно-импульсный ускоритель ионов на основе вакуумной дуги / Арбузов Н.М., Исаев Г.П., Рябчиков А.И.// ПТЭ №5,-1988.- С.28-31.

13. Бор Н. Прохождение атомных частиц через вещество / Бор Н.. -М.: Изд-во иностр. лит., 1950.

14. Бериш Р. Распыление под действием бомбардировки частицами. Характеристики распыленных частиц, применения в технике. Вып.З / Под ред. Р. Бериша и К. Виттмака. - М.: Мир, 1998. - 551 с.

15.Барченко В.Т. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве /

B.Т.Барченко, Колгин Е.А; Под ред. Ю.А.Быстрова. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2001 -332с.

16. Carter G. The Physics and applications of ion beam erosion / G. Carter. //Institute of Physics Publishing. J.Phys.D: Appl. Phys. 2001. V.34. pp. R1-R22.

17. Диденко A.H. Эффекты дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах / А.Н. Диденко, Ю.П. Шаркеев, Э.В. Козлов, А.И. Рябчиков -Томск: Изд-во HTJI, 2004. -328 с.

18. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / Под ред. Р Бериша, Вып.1, -М.: Мир, 1984. -336с.

19. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой /Под ред. Р. Бериша, Вып.П, -М.: Мир, -1986. -448с.

20. Оцуки Ё. X. Взаимодействие заряженных частиц с твердыми телами / Оцуки Ё. X. -М.: Мир, 1985. -278 с.

21. Валиев К.А. Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике / Валиев К.А., Раков A.B.. -М.: Радио и связь, 1984. -352 с.

22. Битенский И.С., Мурахметов М.М., Парилис Э.С. //Письма ЖТФ, 1979. Т.49.

C. 1044-1077.

23. Шалаев A.M. Радиационно-стимулированные процессы в металлах / Шалаев

A.M. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -175с.

24. A.C. 1543745. Способ лазерной пробивки отверстий./ Суминов И.В., Лапин

B.В. 1989.

25. A.C. 1148199. Способ электролазерной обработки. / Суминов И.В.,1980.

26. A.C. 1658515. Способ лазерной пробивки отверстий в прозрачных диэлектриках. / Суминов И.В., Лапин В.В., Засецкий IO.A.1989.

27. A.C. 1777358. Способ пробивки стальных изделий. / Суминов И.В., Пентюк С.А., Засецкий Ю.А.1989.

28. Анциферов В.Н. Комбинированные технологии лазерной обработки материалов / В.Н. Анциферов, В.А. Васин, В.А. Сорокин и др. -М., СПб.: «Реноме», 2012.-388 с.

29. Миркин Л.И. Физические основы обработки материалов лучом лазера / Миркин Л.И. -М.:МГУ. 1972. -162 с.

30. Стельмаха М.Ф. Лазеры в технологии. /Сб. Статей под ред. Стельмаха М.Ф. -М.: Энергия, 1975,-216 с.

31.Вейко В.П. Лазерная обработка / Вейко В.П., Либерсон М.Н. -Л.: Лениздат. 1973.-190 с.

32. Григорянц А.Г. Методы поверхностной лазерной обработки / Григорянц А.Г., Сафонов А.Н. -М.: Высшая школа. 1987, -190 с.

33. Коваленко B.C. Обработка материалов импульсным излучением лазеров / Коваленко B.C. -Киев: Вища школа, 1977. -140 с.

34. Новицкий М. Лазеры в электронной технологии и обработке материалов: Пер.

I

с польск. / Новицкий М. - М. : Машиностроение, 1981. - 152с.

35. Крылов К.И. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении / Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов A.C. -Л.: Машиностроение. 1973. -121 с.

36. Рыкалин H.H. Лазерная обработка материалов / Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. -М.: Машиностроение. 1975. -295 с.

37. Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения / Реди Дж. -М.: Мир. 1974. -468 с.

38. Реди Дж. Промышленное применение лазеров / Реди Дж. -М.: Мир. 1981. -637 с.

39. Рыкалин H.H. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов / Рыкалин H.H., Углов A.A., Зуев И.В., Кокора А.Н. -М.: Машиностроение. 1985. -296 с.

40. Садовский В.Д. Закалка стали в магнитном поле / Садовский В.Д., Кривоглаз М.А., Смирнов Л.В. -М.: Наука. 1977. -118 с.

41. Бернштейн М.Л. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле / Бернштейн М.Л., Пустовойт В.Н. -M.: Машиностроение. 1987. -254 с.

42. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин / Малыгин Б.В. -М.: Машиностроение. 1989. 112 с.

43. Майоров М.М., Блум Э.Я., Малманис А.Е. Экспериментальное исследование гидравлики турбулентного феррогидродинамического течения в круглом канале / Майоров М.М., Блум Э.Я., Малманис А.Е. // Магнитная гидродинамика. 1975. №4.—С. 143—145

44. Охременко Н.М. Основы теории проектирования линейных индукционных насосов для жидких металлов / Охременко Н.М. -М.: Наука. 1968. 235 с.

45. Кузин Б.Г. Электролазерная обработка и исследование ее технологических возможностей / Кузин Б.Г. // Диссертация кандидата технологических наук. Москва, 1972. 200 с.

46. Арефьев K.M. Явление переноса в газе и плазме / Арефьев K.M. -Л.: Энергоатомиздат. 1983. 107 с.

47. Григорянц А.Г. Лазерная сварка металлов / Григорянц А.Г., Шиганов И.Н. - М. Высшая школа, 1988, 207с.

48. Суминов И.В.// Авиационная промышленность №11, 1985, с.35.

49. Edwards D.F., Litvak M.M.//Bul.Am.Phys.Soc.lO,73,1965.

50. Вардзигулова Л.Е., Кайтмазов С.Д., Прохоров A.M. //Письма в ЖЭТФ,6,1979.

51.Chan P.W., Demichelis C.,CronostB. //Appl.Phys.Lett, 13.202,1969.

52.Schirmann D. //Phys.Lett,33A,514,1970.

53.Кайтмазов С.Д., Медведев A.A., Прохоров A.M.//Письма в ЖЭТФ, 14,314,1971.

54.Аскарьян Г.А., Кайтмазов С.Д., Медведев A.A.// ЖЭТФ,62,918,1972.

55.Jassby D.L., Marchic М.Е. //Phys.Rev.Lett.,29,577,1972.

56.Loter N.G., Raff G.J., Coch D.R., Halverson W. //Appl.Phys.,45,97,1974.

57.Coch D.R., Chose C.E., Halverson W., Lax B. //Appl.Phys.Lett.,20,15,1972.

58.Кайтмазов С.Д., Шкловский Е.И. //ЖЭТФ,т.71,вып.6(12),2091,1976.

59. Бонч-Бруевич A.M. Экспериментальное исследование экранирования в парах алюминия / Бонч-Бруевич A.M.,Балашов Е.И., Гагарин А. П.,Захаров A.C., Котылев В.Н., Калабушкин И.О. // Письма в ЖЭТФ, 1973, т.17, с.341-344.

60.Попов Е.Г. Самоэкранирование поверхности тел от мощного излучения / Попов Е.Г., Провалов A.A., Цикулин М.А. // ДАН СССР, 1970, т. 194, №4, с.805-806

61.Виленская Г. Г. Численный расчет движения и нагрева излучением ОКГ плазмы, образовавшейся при вспышке поглощения в парах твердого тела / Виленская Г. Г., Немчинов И.В. // Журнал прикладной механики и теоретической физики,- 1969,-N6,- С.3-20

62.Виленская Г.Г. Явление вспышки поглощения излучения ОКГ и связанные с ней газодинамические эффекты / Виленская Г.Г., Немчинов JI.B. // Доклады Академии Наук СССР.-1969.-Т. 186, № 10.-С. 1048-1050

63.Немчинов И.В. О времени начала экранировки поверхности, испаряющейся под действием излучения ОКГ / Немчинов И.В., Попов С.П.. Письма в ЖЭТФ, 1970, т.И, с.459-462.

64.Ванюков М.Н., Исаенко В.И., Пашинин H.H., Серебряков В.А., Сизов В.Н., Стариков А.Д. // В сб.: Квантовая электроника №1,35,1971.

65.Дымшиц Ю.Н., Неверов В.Г. // ЖЭТФ, Том 47,в. 1,1977.

66.Водоватов Ф.Ф. Лазеры в технологии / Водоватов Ф.Ф., Чельный A.A., Либерсон М.Н. М.Энергия.1975.

67.Петрухин А.И., Плешанов Ю.Е., Рыбаков В.А. //"Физика и химия обработки материалов" №4, 1981, сЗ.

68.Козлова Н.И. Экспериментальное исследование взаимодействия излучения ОКГ с преградой в воздухе / Козлова Н.И., Маркович И.Э., Немчинов И.В. // Квантовая электроника. -1975. Т. 2, № 9. - С. 1930-1941.

69.R. Behrisch Sputtering by Particle Bombardment. Experiments and Computer Calculations from Threshold to MeV Energies / R. Behrisch, W. Eckstein (Eds.) -Topics Appl. Physics, V. 110, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2007. - 470 p.

70. Бурдель K.K. Спектрометрия обратного рассеяния при исследовании поверхности твердых тел / Бурдель К.К., Чеченин Н.Г. // Итоги науки и техники. Сер. Пучки заряженных частиц и твердое тело. М.: ВИНИТИ, 1990. -т.1. -с.35-93.

71. Комаров Ф.Ф. Моделирование процесса полиэнергетической ионной имплантации в металлы / Комаров Ф.Ф., Комаров А.Ф., Мозолевский И.Е., Чеб Е.С. // Материалы XII международной конференции " Взаимодействие ионов с поверхностью", т.2, Москва, 1995.

72. Романовский Е.А. ЯОР спектрометрия твердых сплавов / Е.А. Романовский, О. Беспалова, A.M. Борисов и др. // Физика и химия обработки материалов. - 1998. - № 6. - С. 20-20

73. Садовский В.Д. Магнитное поле и фазовые превращения в стали / Садовский В.Д. // Металловедение и термическая обработка металлов №7, 1965, с. 16-18.

74. Богомолова H.A. Практическая металлография / Богомолова H.A. М.: Высшая школа. 1987г.,240 с.

75. Русаков A.A. Рентгенография металлов / Русаков A.A. М.: Атомиздат, 1977 г., 479с

76. Энгель Л., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение. Справочник. М.: Металлургия, 1986 г., 231 с.

77. Герасимова Л.П., Ежов A.A., Маресев М.И. Изломы конструкционных сталей. Справочник. М.: Металлургия, 1987 г., 271 с.

78. Физическая энциклопедия./Гл. ред. A.M. Прохоров. М: Советская энциклопедия. 1988.

79. Коваленко B.C. Упрочнение деталей лучом лазера / Коваленко B.C. -Киев.: Техника. 1981 г., -132 с.

80. Пустовойт В.Н. Исследования кинетики мартенситного превращения в стали под влиянием постоянного магнитного поля на установке ИМАШ 5С-65 / Пустовойт В.Н., Домбровский Ю.М., Черников Ю.Ф., Гришин С.А.// Заводская лаборатория, 1978, №6

81.Пустовойт В.Н. Термическая обработка в магнитном поле стали Р6М5 / Пустовойт В.Н., Блиновский В.А // "Металловедение и термическая обработка металлов" №11 1983 г., с 52-54.

82. Кривоглаз М.А. Закалка стали в магнитном поле / Кривоглаз М.А., Садовский В.Д., Смирнов Л.В., Фокина Е.А. -М.:Наука,1977.

83. Пустовойт В. Н. Влияние термической обработки в магнитном поле на механические свойства стали 7X3 / Пустовойт В. Н., Смолянинов А. И. // Изв. ВУЗов, Черная металлургия, 1983. № 11. - С. 104-107.

84. Курганов А.Г. Аналитический расчёт распределения радиационных дефектов и примеси при предельных дозах ионного легирования / Курганов А.Г., Фалько Г.Л., Федорченко A.M. // ФММ, 1986. -№ 1. С. 16-20.

85. Jager H.U., Hensel Е., Kreissig I. е.а.// Thin Solid Films.1985. V. 123. P.159-169.

86. Макарец H.B. Распыление поверхности мишени и радиационно-стимулированная диффузия примесей / Макарец Н.В., Фалько Г.Л., Федорченко A.M. //Поверхность. Физика, химия, механика. 1984. Т.5. С.29.

87. Farkas D., Singer I.L., Rangaswamy М. // J. Appl. Phys. 1985. V. 57.№4. p. 1114.

88. Iskanderova Z.A., Radjabov T.D., Leiderman R.Yu. e.a.// Nucl. Instr. Meth. 1986. V.14.B.P.542-554.

89. Владимиров Б.Г. Влияние бомбардировки ионами Не+, Ni+ на твердость и коррозионную стойкость нержавеющих сталей / Владимиров Б.Г., Гусев В.М., Цыпленков B.C. // Атомнаяэнергия. 1979. т.З. -с.50

90. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов / Жук Н.П. М,: Металлургия, 1976 г. 472 с.

91. Фрейман Л.И. Потенциостатические методы в коррозионных исследованиях и электрохимической защите / Фрейман Л.И., Макаров В.А., Брыксин И.Е. Л.: Химия, 1972, 239 с.

92. М. Беккерт, X. Клемм. Способы металлографического травления. Справочник. М.: Металлургия, 1988 г. 400 с.

93. Борисов A.M. Особенности импульсной полиэнергетической ионной имплантации / A.M. Борисов, Б.Л. Крит, С.А. Тихонов и др. // Известия РАН, Серия физическая, -2000. -Т.64. -№4. -С.737-740.

94. Борисов A.M. Особенности ионной имплантации с использованием вакуумно-дугового ионного источника / A.M. Борисов, Н.В. Бородулина, С.А. Тихонов // Прикладная ф

95. изика, -2004. -№1. -С. 89-93.

96. Борисов A.M. Исследование упрочнения поверхности сталей при комбинированном ионном и лазерном воздействии / A.M. Борисов, Б.Л. Крит,

B.C. Куликаускас, Н.Л. Семенова, И.В. Суминов, С.А. Тихонов // Известия Томского политехнического университета. Математика и механика. Физика. -2014. - Т. 324. - № 2. - С. 137-142.

97. Суминов И.В. "Физико-механические характеристики и структура стали 30ХГСА после лазерного и лазерно-магнитного упрочнения / И.В. Суминов,

C.А. Тихонов // Сб. трудов МАТИ. "Научные труды", Вып. 1(73), -М.: ЛАТМЭС -1998.-С.118-121.

98. Крит Б.Л. Ионная имплантация, как метод комплексного повышения характеристик мединструмента / Б.Л. Крит, A.M. Борисов, А.Б. Поволоцкий, С.А. Тихонов // Сб. трудов МАТИ. "Научные труды", Вып. 1(73), -М.: ЛАТМЭС, -1998. -С. 169-174.

99. Суминов И.В. Исследование прозрачности светоэрозионного факела при лазерно-магнитном воздействии на материал / И.В. Суминов, С.А. Тихонов // Сб. тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-98, 17-18 ноября 1998года." -М. -1998. -С.246-247.

100. Тихонов С.А. Исследование концентрационного профиля имплантируемого элемента в графит при полиэнергетической высокодозной ионной имплантации / С.А. Тихонов, A.M. Борисов, Б.Л. Крит //Сб. тезисов докладов научной конференции. XXV Гагаринские чтения. -М.: ЛАТМЭС. -1999. -Т.2. -С.815-816.

101. Суминов И.В. Прозрачность светоэрозионного факела при лазерно-магнитном воздействии на материал / И.В. Суминов, С.А. Тихонов // Сб. трудов МАТИ. "Научные труды", Вып.2(74), -М.: ЛАТМЭС. -1999. -С. 115-118.

102. Бородулина Н.В. Об ионной модификации мелкодисперсных материалов" / Н.В. Бородулина, Б.Л. Крит, С.А. Тихонов // XXVIII Гагаринские чтения. Тезисы докладов международной молодежной научной конференции. -М.: Издательство "МАТИ"-Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского, -2002. -Т5. -С.77-78.

103. Степанов В.В. О комбинированном воздействии лазерных и ионных пучков на конструкционные стали / В.В. Степанов, И.В. Суминов, С.А Тихонов. // XXVIII Гагаринские чтения. Тезисы докладов международной молодежной научной конференции. -М.: Издательство "МАТИ"-Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского, -2002. -Том 5, -С.96.

104. Крит Б.Л. Особенности ионно-лучевой модификации малоразмерных объектов / Б.Л. Крит, С.А. Тихонов. // Труды НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. Серия: Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования. РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт. -Новомосковск. -2002. -Вып.№4(7). -С. 30-33.

105. Крит Б.Л. Модификация свойств поверхности полиэнергетическими ионными пучками / Б.Л. Крит, С.А. Тихонов // Труды 12-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции в 2-х томах. 26-27 ноября 2013г. МАТИ: Сб. трудов. -М.: МАТИ. -2013. -Том 2. -С. 221-225.

Программа моделирования процесса полиэнергетической ионной имплантации

#include <stdio.h> #include <conio,h> #include <math.h> #include <fstream.h> #include <string.h> #include <alloc.h> «define NA 6.022e23

void input(void); /* ввод технологических данных */ double funi(double); /* подынтегральная функция */ double integral(double,double); /* расчет интеграла */ double simpson(doubIe* fn,int n,double interval); int N,M,ip=0;

float U,D,El,N2,Cr,Ez[6],epsz[6],Rpz[6],dRpz[6],Dz[6]; float ARGMAX,ARGMIN,FUNMAX,FUNMIN=0; float X[50],Xmax[6];

float Snv[6],S[6],k,Sn[6],So=0,dx[6],Xo=0;

double zl=0,z2=0,11=0,12=0,NS[6];

double Np[7][100];

double Spl=0;// доза имплантации

char pcIon[5];

char pcMn[5];

/* ion l-C,2-Ag,3-Ni,4-Al,5-Cu,6-Zr,7-Ta,8-Mo,9-Ar, 10-Cr */ // 11 -Ti, 12-Nb, 13-Pb, 14-W, 15-V, 16-Fe, 17-Mg

float ion[17][9]={{

,6, 12.011, 100,0,0, 0,0,0}, {2,47, 107.868,13,61,25, 1,0,0}, {3,28,58.71, 30,64,6, 0,0,0}, {4, 13,26.98, 38,51,11,0,0,0}, {5,29, 63.546, 16, 63,20, 1,0,0}, {6,40,91.22, 1, 47,45,7,0,0}, {7, 73, 180.947,2, 33,38,24,3,0}, {8,42,95.94, 2, 21,49,25,3,0}, {9,18,40, 100,0,0,0,0,0}, {10,24, 51.996, 10, 68,21, 1,0,0}, {11,22,47.9, 11,75,14,0,0,0}, {12,41,92.9064,1, 24,51,22,2,0}, {13,82,207.2, 36,64,0,0,0,0}, {14,74, 183.8, 2, 23,43,26,5,1}, {15,23,50.9415,8, 71,20, 1,0,0},

{16,26,55.84, 25,68,7,0,0,0},

{17,12,24.305,46, 54, 0, 0,0,0}}; /* target 1 -C,2-Fe,3-Si,4-Cu,5-Zr,6-Be */ float шп[6][5]={{1, 6, 12.011,2.265,7.41}, {2,26,55.848,7.8, 4.15}, {3,14,28, 2.3,3.91}, {4, 29, 63.548,8.9,3.56}, {5,40,91.224, 6.5,5.43}, {6, 4,9.012, 1.85,3.48}};

/*.....................MAIN.....................................*/

void main(void) { inti.tj; float step,x,v;

cout « "Тихонов С.A. \n"; clrscr(); input();

El=30.7*ion[N][l]*mn[M][l]*(ion[N][2]+mn[M][2])

*pow((povv(ion[N][l],2./3.)+pow(mn[M][l],2./3.)),0.5)/mn[M][2]; N2=NA*mn[M][3]/mn[M][2]; /* концентр, атомов в мишени [1/cm3]--*/ x=pow((ion[N][2]+mn[M][2]),2); v=pow(ion[N][l],2./3.)+pow(mn[M][l],2./3.); Cr=2.78e-23*N2*ion[N][2]*mn[M][2]/x/v; /* в [1/Нш] */ k=84.6*ion[N][l]*mn[M][l]*ion[N][2]/pow(v,0.5)/(ion[N][2]+mn[M][2]); for(i=0;i<6;i++) { if(ion[N][i+3]!=0) { Ez[i]=(i+l)*U* 1000.;

epsz[i]=Ez[i]/El; /*приведенная энергия */

Rpz[i]=2.4*epsz[i]/Cr; /*проекгивный пробег*/

dRpz[i]=Rpz[i]*(0.27+0.38/(2.+epsz[i])); /*-разброс проективного пробега-*/ Snv[i]=0.45*pow(epsz[i],0.5)/(0.3+epsz[i]); Sn[i]=k*Snv[i];

S[i]=0.042*0.3*Sn[i]/mn[M][4]; /*коэффициентраспыления*/

So+=S[i]*ion[N][i+3]/100.; /*суммарный коэф распыления*/ }}

for(i=0;i<6;i++) { if(ion[N][i+3]!=0) {Dz[i]=D*ion[N][i+3]/100.; /* доза ионов в зависим, от их концентр. */ NS[i]=N2*ion[N][i+3]/200./So; }} for(i=0;i<6;i++) { if(ion[N][i+3]!=0) {dx[i]=(Dz[i]*S[i]/N2)*le7; /* толщина распыленного слоя в нм*/

Xo+=dx[i]; }} for(i=0;i<6;i++) { if(ion[N][i+3]!=0) { ip=ip+I;

printf("\n Rpz[%d]=%g",ip,Rpz[i]); printf("\n dRpz[%d]=%g",ip,dRpz[i]); printf("\n S[%d]=%g",ip,S[i]);

printf("\n dx[%d]=%g",ip,dx[i]); }}

printf("\n So=%g",So); printf("\n Xo=%g(nm)",Xo); gotoxy(55,24); puts("press any key"); getch();

/*...........—.....max and min data-----------------*/

ARGMAX=0; FUNMAX=0; ARGMIN=0; for(i=0;i<6;i++) { if(ion[N][i+3]!=0) { Xmax[i]=Rpz[i]+3.*dRpz[i];

if(Xmax[i]>ARGMAX)ARGMAX=Xmax[i]; }}

/*...................calculation integral.........—.......

for(i=0;i<6;i++) {if(ion[N][i+3]!=0) { for(j=0J<50y++) { X0]=ARGMAX*j/5O.;

zl=(X[i]+Xo-Rpz[i])/dRpz[i]/pow(2.,0.5); z2=(X|J]-Rpz[i])/dRpz[i]/pow(2.,0.5); printf("\n zl=%g",zl); printf("\n z2=%g",z2); if(zl<=0 &&z2<=0) { zl=-zl;z2=-z2;

11 =integral(0,zl);I2=integral(0,z2); Np[i]0]=NS[i]*(-Il+I2); } else

if(zl<=0 && z2>0) { zl=-zl;

11 =integral(0,z 1 );I2=integral(0,z2); Np[i][j]=NS[i]*(-Il-I2);

} else

if(zl>0 && z2<=0) { z2=-z2;

11 =integral(0,zl);I2=integral(0,z2); Np[i][j]=NS[i]*(Il+I2); } else

if(zl>0 &&z2>0)

{ ll=integral(0,zl);12=integral(0,z2); Np[i]U]=NS[i]*(Il-I2); } if(Np[i]0]<lel5)Np[i]D]=0; printf("\n Il=%g",Il); printf("\n I2=%g",I2);

printf("\n Np=%g",Np[i][j]); } }}

forG=0u<50y++)

{ Np[6][j]=:Np[0]|j]+Np[l][j]+Np[2]|j]+Np[3][j]+Np[4][j]+Np[5][j];} for(j=0;j<49;j++)

{ if(Np[6]0]>FUNMAX)FUNMAX=Np[6][j]; Spl+=Np[6][j]*(X[j+l]-X[j])/l 0000000.;}

//-----------save in file---------------

char name 1 [30]; strcpy(name 1 ,pcIon); int 1 = strlen(pclon); strcpy(&namel [l],pcMn); ofstream fl(namel); for(j=0j<50;j++)

{ fi«x[j];

for(i=0;i<7;i++)

{ //if(Np[i][j]>=0)

fl«' '«Np[i][j]; }

fl«'\n'; } fl .close();

//FUNMIN=FUNMAX/1000.; printf("\n FUNMAX=%g",FUNMAX); printf("\n Dose implantation=%g(l/cm2)",Spl); getch();}

/*.......................END MAIN..............................*/

void input() { int key = 1; gotoxy(5,4);

puts("Simulation of profile allocation ions for hing dose(V2.2)"); gotoxy(40,5); puts("(Tikhonov S.A.)"); gotoxy(15,8);

printf("Parameters implantation:"); printf("\n Fluens implantation (l/cm2) F-'); scanf("%f',&D);

printf("\n Acceleration voltage U(kV)=");

scanf("%f',&U);

while(key==l)

{ printf("\n Ion:(C,Ag,Ni,Al,Cu,Zr,Ta,Mo,Ar,Cr,Ti,Nb,Pb,W,V,Fe,Mg)="); scanf("%s",pcIon); key = 0;

if(pclon[0]=-A' && pcIon[l]=='g')N=l; else if(pcIon[0]=-N' && pcIon[l]=='i')N=2; else if(pcIon[0]=='A' && pcIon[l]==T)N=3; else if(pcIon[0]=-C' && pcIon[l]=='u')N=4; else if(pcIon[0]=='Z' && pcIon[l]=='r')N=5; else if(pcIon[0]=='T' && pcIon[l]=='a')N=6; else if(pcIon[0]=='M' && pcIon[l]=='o')N=7; else if(pcIon[0]=='A' && pcIon[l]=='r')N=8; else if(pcIon[0]=='C' && pcIon[l]=='r')N=9; else if(pcIon[0]=='T' && pc!on[l]=='i')N=10; else if(pcIon[0]=-N' && pclon[l]=='b')N=l 1; else if(pcIon[0]=='P' && pclon[l]=='b')N=12; else if(pclon[0]=='W')N=13; else if(pclon[0]=-V')N=14; else if(pcIon[0]=='F' && pcIon[l]=='e')N=15; else if(pcIon[0]=-M' && pcIon[l]=='g')N=16; else if(pcIon[0]=='C')N=0; else {printf("Enter new data"); key = 1;} } key = 1; while(key==l)

{

printf("\n Target:(C,Fe,Si,Cu,Zr,Be)=");

scanf("%s",pcMn);

key = 0;

if(pcMn[0]=-F' && pcMn[l]=='e')M=l; else if(pcMn[0]~'S' && pcMn[l]=='i')M=2; else if(pcMn[0]=='C' && pcMn[l]=='u')M=3;

else if(pcMn[0]=='Z' && pcMn[l]=='r')M=4; else if(pcMn[0]=-B' && pcMn[l]=='e')M=5; else if(pcMn[0]=-C')M=0; else {printf("Enter new data"); key = 1;}

}

getch();

}

// integral functionn double funi(double 1) {double f;

f=2.*exp(-l*l*l)/sqrt(3.14159); return f;}

/* функция расчета интеграла */ double integral(double a,double b) /*а,Ь- пределы интегрирования*/ { intm=l,n,i;

double h,s2=0,s4=0,si=0,si0=0;

double eps;/*T04H0CTb*/

double fa,fb;

fa=funi(a);

fb=funi(b);

if(b>a)

{eps=funi((b-a)/2.)*(b-a)/l 000000.; do {

n=2*m; if(m>l) si0=si; h=(b-a)/n;

for(i=l;i<=(2*m-l);i+=2) s4+=funi(a+i*h); for(i=2; i<=2 * m; i+=2) s2+=funi(a+i*h); si=(h/3.)*(fa+fb+4.*s4+2*s2); s2=s4=0; m++;

} while(fabs(si-siO)>eps); } else si=0;

return(si);

}

Результаты трибологичсских испытаний

Режим испытаний: Р=200Н, п=250 мин"1.

Таблица 1 - Сталь 20X13 без имплантации

Б,м N,06 Дт,гр х,мкм

0 0 0 0

11,4 20 0,00241 1,78

15,39 27 0,00361 2,667

19,95 35 0,00483 3,569

25,08 44 0,00563 4,16

30,21 53 0,0071 5,246

34,77 61 0,00822 6,074

39,90 70 0,00936 6,917

45,03 79 0,01013 7,486

50,16 88 0,01138 8,409

55,29 97 0,01277 9,437

60,55 106 0,01388 10,02

65,55 115 0,01479 10,92

Таблица 2 - Сталь 20X13, С\ 0=Ю1бсм'2 и=35 кэВ

Б.м N,06 Дт,гр х,мкм

0 0 0 0

11,4 20 0,0014 1,034

15,39 27 0,00221 1,633

19,95 35 0,00293 2,165

25,08 44 0,00368 2,719

30,21 53 0,00422 3,118

34,77 61 0,00505 3,731

39,90 70 0,00573 4,234

45,03 79 0,00678 5,01

50,16 88 0,00783 5,786

55,29 97 0,00895 6,614

60,55 106 0,01000 7,39

65,55 115 0,01180 8,72

Таблица 3-Сталь 20X13, С", 0=5*Ю16 см-2,1К35 кэВ

N,06 Дт,гр х,мкм

0 0 0 0

11,4 20 0,001 0,073

15,39 27 0,00146 1,078

19,95 35 0,00203 1,50

25,08 44 0,00265 1,958

30,21 53 0,00308 2,276

34,77 61 0,00372 2,749

39,90 70 0,00434 3,207

45,03 79 0,00536 3,961

50,16 88 0,00643 4,751

55,29 97 0,00755 5,579

60,55 106 0,00867 6,407

65,55 115 0,00973 7,19

Таблица 4 - Сталь 20X13, С\ 0=Ю17 см"2, и=35 кэВ

N,06 Ат,ф х,мкм

0 0 0 0

11,4 20 0,0009 0,665

15,39 27 0,00140 1,034

19,95 35 0,00205 1,514

25,08 44 0,00253 1,478

30,21 53 0,00306 2,217

34,77 61 0,00363 2,682

39,90 70 0,00413 3,052

45,03 79 0,00492 3,636

50,16 88 0,00609 4,434

55,29 97 0,00713 5,246

60,55 106 0,00838 6,133

65,55 115 0,00948 6,946

Таблица 5 - Сталь 20X13 РЬ+ 0=Ю16см-2 и=20кэВ

Ы.об Дт,гр х,мкм

0 0 0 0

11,4 20 0,00174 1,285

15,39 27 0,00264 1,95

19,95 35 0,0030 2,217

25,08 44 0,00382 2,822

30,21 53 0,0047 3,473

34,77 61 0,00563 4,16

39,90 70 0,00662 4,892

45,03 79 0,00779 5,756

50,16 88 0,00905 6,687

55,29 97 0,0100 7,39

60,55 106 0,01104 8,158

65,55 115 0,0123 9,089

Таблица 6 - Сталь 20X13 РЬ+ 0=5*1016 и=20 кэВ.

5,м N,06 Дт,гр х,мкм

0 0 0 0

11,4 20 0,0022 1,625

15,39 . 27 0,0030 2,217

19,95 35 0,0039 2,882

25,08 44 0,0047 3,473

30,21 53 0,0055 4,064

34,77 61 0,0065 4,803

39,90 70 0,0076 5,616

45,03 79 0,0088 6,503

50,16 88 0,0102 7,537

55,29 97 0,0112 8,276

60,55 106 0,0123 9,089

65,55 115 0,0132 9,754

Таблица 7 - Сталь 20X13 РЬ+ 0=Ю17 и=20 кэВ

N,06 Дт,гр Х,МКМ

0 0 0 0,0

11,4 20 0,00255 1,884

15,39 27 0,00345 2,549

19,95 35 0,00425 3,14

25,08 44 0,00515 3,805

30,21 53 0,00611 4,515

34,77 61 0,00711 5,254

39,90 70 0,00834 6,163

45,03 79 0,00942 6,961

50,16 88 0,0105 7,759

55,29 97 0,0116 8,572

60,55 106 0,0128 9,459

65,55 115 0,0140 10,03

Таблица 8 - Сталь 20X13, ТГ, 0=1016 см"2, и=35кУ

Б,м N,06 Дт,гр х,мкм

0 0 0,000 0

11,4 20 0,00092 0,679

15,39 27 0,00141 1,041

19,95 35 0,00185 1,367

25,08 44 0,00213 1,574

30,21 53 0,00260 1,921

34,77 61 0,00298 2,202

39,90 70 0,00332 2,453

45,03 79 0,00445 3,288

50,16 88 0,0056 4,138

55,29 97 0,0077 5,69

60,55 106 0,0079 5,838

65,55 115 0,0090 6,651

Таблица 9 - Сталь 20X13, ТГ, Э=4* 1016 см-2, и=35кУ

Б,м N,06 Дт,гр х,мкм

0 0 0 0

11,4 20 0,0007 0,517

15,39 27 0,0009 0,665

19,95 35 0,00125 0,923

25,08 44 0,00155 1,145

30,21 53 0,0016 1,182

34,77 61 0,0022 1,625

39,90 70 0,0025 1,847

45,03 79 0,0034 2,512

50,16 88 0,0045 3,325

55,29 97 0,0054 3,99

60,55 106 0,0066 4,877

65,55 115 0,0078 5,764

Таблица 10 - Сталь 20X13, ТГ, Э=1017 см'2, и=35кУ

Б,м N,06 Дгп.гр х,мкм

0 0 0,0000 0

11,4 20 0,00042 0,31

15,39 27 0,00055 0,41

19,95 35 0,00068 0,502

25,08 44 0,00080 0,591

30,21 53 0,00108 0,798

34,77 61 0,0013 0,96

39,90 70 0,0016 1,18

45,03 79 0,0022 1,625

50,16 88 0,0034 2,512

55,29 97 0,0045 3,325

60,55 106 0,0055 4,064

65,55 115 0,0065 4,803

Таблица 11 - Сталь 20X13 №>+ 0=5*Ю16 и=35 кэВ

Б,м N,06 Аш,гр х,мкм

0 0 0 0

П,4 20 0,0007 0,812

15,39 27 0,0011 0,813

19,95 35 0,0014 1,034

25,08 44 0,0017 1,256

30,21 53 0,0021 1,552

34,77 61 0,0025 1,847

39,90 70 0,0028 2,069

45,03 79 0,0038 2,808

50,16 88 0,0049 3,621

55,29 97 0,0060 4,434

60,55 106 0,0071 5,247

65,55 115 0,0083 6,133

Акты внедрения

Закрытое Акционерное Общество «Имплантаты Материалы Технологии»

ЗАО «Имплант МТ»

/«у i !Н:РЖ-/1Д1О>.

I фсийлеи «1Ьшлим--М 1» г^и,-

А К T

об иенолыовашш ретулькиов кандидатской диссертационной работы Гнчонова Сергея Александровича

Насюяпшн ai<i составлен в юм. чю нашим нредпрнятем в период 2010-2013 i л. при разработках технолопш нрои шодст на режущих медициаскнч инструментов были использованы рекомендации по повышению их зкеп папщпонных характеристик, ¡пложенные и диссертационной работе 1ихонопа С.Д. Па основании технических иены uihthi une i р\ мен i о» \ с i ановлено следующее:

1. 11о!шо-л\чевое \ прочистите ([»peí для обработки itepi 'i\жной впадины повышает нч pecjpc работы при шдонротешровантш тазобедренных eye твои в 1,3 pata;

2. Латсрно-мат питан обработка сверл для выполнения отверстии в костных структурах повышает ич рес\рс в 1,7 pata.

Целесообра шо нспольншание разработанных icxhojioihtí и практических рекомендации в ратине предприятий, ¡аннматошихся разработкой и тнюювлением специальною реж\щен> инструмента. применяемого при »ндопрок- шрованни, внутреннем оетеосптпете и других методач современно! о \np\pi нческото лечения табодеваний и травм опорно-двш ательпот о аппарата человека.

1 ечннчеемш директор

1 ел. (44)9) 141-94-12 e-mailrmiüdw mail.ru

У ' у,

; ,ii-t) Lt^ у t,'/ /

Карпов В.

107031, Россия, Москва, ул. Петровка, д.71, Тел./факс:[phone]

e-mail: [e-mail]

11риложсмис 3

ООО «Сталь ФМИ

11)9383, Москва, >л. Полбина, 45, им. [phone]

«УТВЕРЖДАЮ» Генеральный директор ООО «Сталь ФМ»

Серов М М 2014 г

АКТ

о применении результатов, полученных при выполнении диссертационной работы Тихонова Сергея Александровича

Настоящим удостоверяется, что рекомендации по ИЛМ, содержащиеся в диссертационной работе Тихонова С А «Разработка комбинированных методов импульсной лазерно-магнигнои и ионно-лучевой обработки поверхности деталей и инструмента» использовались при обработке рабочих кромок вращающихся теплоприемников установок ЭВКР Применение позволило в 3-4 раза повысить износостойкость деталей в условиях высокотемпературных термоциклических нагрузок при трении скольжения в вакууме на скоростях 20-30 м/с Материал теплоприемников-сталь 30ХГСА, контртело - дисперсные частицы стали Х23Ю5

Использование обработанных теплоприемников позволило улучшить качество изготовления жаростойких волокон, повысить уровень надежности оборудования

л

Гл инженер Прищепов С В

/