金属离子高温注入金属表面合金化机制研究

论文摘要

金属离子高温注入是一种重要的表面合金化工艺,是在大束流密度轰击或辅助热源加热条件下实现的高温基体注入工艺。较常规离子注入,高温注入具有更大的注入深度,并可在离子注入层中形成有利于改善表面层性能的金属间化合物。目前,对于金属离子高温注入的研究主要集中在注入工艺改进及表面改性层性能的评价方面,金属离子高温注入合金化的表面改性机理并不完全清楚。金属离子高温注入金属的特殊传质过程,金属间化合物产生及其转变规律显著影响改性层的成分和结构,决定改性层的性能。为完善和控制金属离子高温注入工艺及进一步发挥金属离子高温注入在表面合金化领域的重要作用,本论文针对金属离子高温注入金属靶的传质机制及金属间化合物形成及转变机制进行了理论分析和实验研究。 利用粒子与固体相互作用理论和辐照增强扩散理论,建立了金属离子高温注入金属靶的传质模型。采用动态Monte Carlo方法模拟离子注入过程,引入饱和浓度限模拟晶体靶局部饱和现象,采用基于辐照增强扩散的扩散方程描述注入粒子扩散过程,根据缺陷线性退火理论确定辐照增强扩散系数,结合杂质原子和非平衡空位扩散方程给出了注入粒子的浓度—浓度分布,在扩散方程中引入了空位源函数并考虑了离子溅射造成的表面退让效应。利用建立的金属离子高温注入金属靶传质模型计算了Cr-Al,Ni-Al,Fe-Al体系在注入温度为室温到700℃,注入能量为2-120 keV,注入剂量为2×1016-1×1018ions cm-2的注入条件下注入粒子的浓度—深度分布,计算浓度—深度分布与实验测量结果相符,验证了所建立的传质模型的正确性,并通过计算分析讨论了计算与实验测量误差的成因,且讨论了注入温度,注入能量,注入剂量等因素对高温注入传质过程的影响。 针对金属离子高温注入金属的界面反应特性,借鉴二元薄膜热退火过程中化合物形成预测中的有效形成热概念,建立了金属离子高温注入金属的有效形成热模型。有效形成热是利用金属间化合物的标准形成热,与反应界面上控制元素的有效浓度和形成金属间化合物的控制元素浓度的比值之积计算,各种可能形成的金属间化合物中,有效形成热最小的金属间化合物为预测先形成化合物。采用有效形成热模型预测了金属Fe,Hf,Mo,Nb,Ni,Ta,Zr离子在注入温度300-600℃,注入能量50-140 keV,注入剂量1017-1018ions cm-2,束流密度10-60 μA cm-2条件下注入金属Al形成的金属间化合物Al13Fe4,HfAl3,MoAl12,NbAl3,NiAl3,TaAl3,ZrAl3,预测结果与文献报道结果相符。考虑到亚稳相形成,有效形成热模型合理预测了Cr离子高温注入金属Al,在400℃形成化合物Cr14Al86,高于400℃形成化合物Cr2Al13。考虑固态界面上金属间化合物的形核难易程度,有效形成热模型合理预测了金属V离子高温注

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 金属离子高温注入技术
• 1.1.1 离子注入技术
• 1.1.2 金属离子高温注入
• 1.2 离子注入传质过程模型化
• 1.2.1 常规离子注入传质模型
• 1.2.2 金属离子高温注入传质模型
• 1.2.3 气体元素离子注入传质模型
• 1.3 二元合金系相形成预测理论
• 1.3.1 经验性预测模型
• 1.3.2 有效形成热模型
• 1.4 本文研究目的及研究内容
• 第二章 金属离子高温注入金属传质模型
• 2.1 金属离子注入金属靶的Monte Carlo模拟
• 2.1.1 Monte Carlo方法
• 2.1.2 粒子与固体相互作用理论
• 2.1.3 静态靶注入模拟模型
• 2.1.4 动态靶注入模拟模型
• 2.2 辐照增强扩散理论
• 2.3 金属离子高温注入金属传质模型
• 2.4 传质模型数值计算方法
• 2.4.1 计算参数选择
• 2.4.2 差分方程建立
• 2.5 结论
• 第三章 金属离子高温注入金属的传质计算
• 3.1 计算参数
• 3.2 金属Cr离子高温注入Al靶
• 3.3 金属Ni，Fe离子高温注入Al靶
• 3.4 金属Al离子高温注入Fe靶
• 3.5 讨论
• 3.5.1 基于Monte Carlo方法的高温离子注入模型
• 3.5.2 传质模型计算与实验结果差异的成因
• 3.5.3 金属离子高温注入金属传质过程的影响因素
• 3.6 结论
• 第四章 金属离子高温注入金属合成金属间化合物有效形成热模型
• 4.1 有效形成热模型建立
• 4.2 模型的热力学量
• 4.2.1 反应温度
• 4.2.2 形成热
• 4.2.3 标准形成热的选取依据
• 4.3 模型的应用
• 4.3.1 先形成相的预测
• 4.3.2 相形成次序的预测
• 4.4 结论
• 第五章 金属离子高温注入金属Al合成金属间化合物预测
• 5.1 金属Fe，Hf，Nb，Ni，Ta，Zr离子高温注入金属Al合成化合物预测
• 5.2 金属Cr，Mo，Ti离子高温注入金属Al合成化合物预测
• 5.3 金属V离子高温注入金属Al合成化合物预测
• 5.4 讨论
• 5.4.1 影响金属—Al体系形成金属间化合物预测的因素
• 5.4.2 有效形成热预测模型的改进
• 5.5 结论
• 第六章 金属离子高温注入金属实验研究
• 6.1 金属离子高温注入设备及工艺
• 6.2 分析方法
• 6.3 金属Al注入Fe实验及模拟计算结果
• 6.3.1 注入Al浓度—深度分布
• 6.3.2 相结构及金属间化合物预测
• 6.4 金属Al注入Mg合金实验及模拟计算结果
• 6.4.1 注入Al浓度—深度分布
• 6.4.2 相结构及金属间化合物预测
• 6.5 讨论
• 6.5.1 Al高温注入Fe，Mg合金传质规律
• 6.5.2 Al高温注入Fe，Mg合金相形成规律
• 6.6 结论
• 第七章 总结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢
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