金屬離子高溫注入金屬表面合金化機(jī)制研究.pdf

1、該論文針對金屬離子高溫注入金屬靶的傳質(zhì)機(jī)制及金屬間化合物形成及轉(zhuǎn)變機(jī)制進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。 利用粒子與固體相互作用理論和輻照增強(qiáng)擴(kuò)散理論，建立了金屬離子高溫注入金屬靶的傳質(zhì)模型。采用動(dòng)態(tài)MonteCarlo方法模擬離子注入過程，引入飽和濃度限模擬晶體靶局部飽和現(xiàn)象，采用基于輻照增強(qiáng)擴(kuò)散的擴(kuò)散方程描述注入粒子擴(kuò)散過程，根據(jù)缺陷線性退火理論確定輻照增強(qiáng)擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)合雜質(zhì)原子和非平衡空位擴(kuò)散方程給出了注入粒子的濃度—濃度分布，在

2、擴(kuò)散方程中引入了空位源函數(shù)并考慮了離子濺射造成的表面退讓效應(yīng)。利用建立的金屬離子高溫注入金屬靶傳質(zhì)模型計(jì)算了Cr-Al，Ni-Al，F(xiàn)e-Al體系在注入溫度為室溫到700℃，注入能量為2-120keV，注入劑量為2×1016-1×1018ionscm-2的注入條件下注入粒子的濃度—深度分布，計(jì)算濃度—深度分布與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相符，驗(yàn)證了所建立的傳質(zhì)模型的正確性，并通過計(jì)算分析討論了計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量誤差的成因，且討論了注入溫度，注入能量，注入

3、劑量等因素對高溫注入傳質(zhì)過程的影響。 針對金屬離子高溫注入金屬的界面反應(yīng)特性，借鑒二元薄膜熱退火過程中化合物形成預(yù)測中的有效形成熱概念，建立了金屬離子高溫注入金屬的有效形成熱模型。有效形成熱是利用金屬間化合物的標(biāo)準(zhǔn)形成熱，與反應(yīng)界面上控制元素的有效濃度和形成金屬間化合物的控制元素濃度的比值之積計(jì)算，各種可能形成的金屬間化合物中，有效形成熱最小的金屬間化合物為預(yù)測先形成化合物。采用有效形成熱模型預(yù)測了金屬Fe，Hf，Mo，Nb，N

4、i，Ta，Zr離子在注入溫度300-600℃，注入能量50-140keV，注入劑量1017-1018ionscm-2，束流密度10-60μAcm-2條件下注入金屬Al形成的金屬間化合物Al13Fe4，HfAl3，MoAl12，NbAl3，NiAl3，TaAl3，ZrAl3，預(yù)測結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果相符?？紤]到亞穩(wěn)相形成，有效形成熱模型合理預(yù)測了Cr離子高溫注入金屬Al，在400℃形成化合物Cr14Al86，高于400℃形成化合物Cr2Al

5、13?？紤]固態(tài)界面上金屬間化合物的形核難易程度，有效形成熱模型合理預(yù)測了金屬V離子高溫注入金屬Al形成金屬間化合物VAl3。考慮到金屬間化合物形成溫度的作用，金屬M(fèi)o和Ti離子注入金屬Al實(shí)驗(yàn)中，注入溫度遠(yuǎn)高于600℃時(shí)，分別發(fā)現(xiàn)MoAl12，MoAl5和TiAl3，TiAl雙相形成，此時(shí)有效形成熱模型不再適用。 利用400keV離子注入機(jī)進(jìn)行注入能量120keV，注入劑量5×1016ionscm-2，1×1017ionscm-

6、2的Al離子注入Fe靶，注入溫度分別為室溫至500℃，利用MEVVA離子注入機(jī)進(jìn)行注入能量為45keV，注入劑量2×1016-1×1017ionscm-2的Al離子注入鎂合金AZ31，注入溫度分別為室溫，300℃。采用RutherfordBackscatteringSpectrometry(RBS)和X射線衍射方法(XRD)分析注入粒子濃度-深度分布和注入表面的相結(jié)構(gòu)，利用所建立的金屬離子高溫注入傳質(zhì)模型及有效形成熱模型給出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件

7、下的傳質(zhì)過程模擬計(jì)算和相形成預(yù)測結(jié)果。實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算表明，注入劑量為5×1016ionscm-2，注入溫度為250℃的Al離子注入Fe時(shí)，注入Al峰值濃度為6at.％，注入深度為160nm，而在注入劑量為1×1017ionscm-2，注入溫度為250℃，500℃時(shí)，注入Al峰值濃度同為10at.％，注入深度則分別為180nm和200nm，注入溫度250℃，注入劑量1×1017ionscm-2，注入溫度500℃，注入劑量6×1016ion

8、scm-2和1×1017ionscm-2注入時(shí)，金屬間化合物Al13Fe4形成。注入溫度為室溫和300℃，注入劑量1×1017ionscm-2的Al離子注入鎂合金時(shí)，注入Al峰值濃度分別為10at.％和8at.％，注入深度分別為840nm和1200nm，注入溫度為室溫，注入劑量為1×1017ionsem-2時(shí)，金屬間化合物Al12Mg17析出，而在注入溫度為300℃，注入劑量為2×1016ionscm-2時(shí)，金屬間化合物即出現(xiàn)析出；同時(shí)