Письма в ЖТФ, 2008, том 34, вып. 20
26 октября
05.3;10
Импульсное электронно-пучковое поверхностное легирование сплава BT6 цирконием путем перемешивания предварительно осажденной многослойной Zr/Ti пленки © В.П. Ротштейн, А.Б. Марков, Н. Шевченко, H. Reuther, К.В. Оскомов, В.А. Шулов Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск Institute if Ion Beam Physics and Materials Research, FZD, 01314, Dresden, Germany Московский авиационный институт E-mail:
[email protected] Поступило в Редакцию 14 февраля 2008 г. Исследованы характеристики поверхностного легирования сплава ВТ6 (Ti−6A1−4V) цирконием, предпринятого с целью снижения концентрации Al и V вблизи поверхности. Легирование осуществлялось путем жидкофазного перемешивания многослойной пленки [Zr(20 nm)/Ti(20 nm)]12 общей толщиной 480 nm с подложкой (сплав BT6) низкоэнергетическим (∼ 20 keV) сильноточным электронным пучком (2.5 µs, 3.5 J/cm2 ). Установлено, что в результате импульсного плавления происходит однородное перемешивание всех Ti/Zr нанослоев и диффузия Zr в подложку на глубину ∼ 0.5 µm. Поверхностный слой толщиной ∼ 0.5 µm свободен от Al и V и имеет однофазную субмикрокристаллическую структуру твердого раствора α-Ti70 Zr30 . Последующий вакуумный отжиг приводит к уменьшению среднего размера зерна до 90 nm вблизи поверхности и повышению нанотвердости в легированном слое. PACS: 81.20.-n
Титановый сплав ВТ6 (Ti−6Al−4V) относится к числу наиболее распространенных металлических биоматериалов [1]. Одним из важных факторов, ограничивающих длительную стабильность хирургических имплантантов, изготовленных из этого сплава, является опасность поступления в смежные ткани металлических частиц и ионов алюминия и, особенно, ванадия [2]. В [3–6] показано, что перспективным мето5
65
66
В.П. Ротштейн, А.Б. Марков, Н. Шевченко, H. Reuther...
дом поверхностной модификации металлических материалов является поверхностное легирование, основанное на жидкофазном перемешивании систем пленка−подложка низкоэнергетическим (∼ 20 keV) сильноточным электронным пучком (НСЭП) микросекундной длительности. В настоящей работе данный метод использован для поверхностного легирования сплава ВТ6 цирконием с целью снижения концентрации Al и V в поверхностном слое. Выбор Zr обусовлен тем, что этот металл, подобно Ti, обладает хорошей биосовместимостью [2], улучшает коррозионные и прочностные свойства Ti, неограниченно растворим в α- и β-Ti [7]. Последнее обстоятельство существенно упрощает задачу формирования поверхностного сплава Ti−Zr при импульсном плавлении. Эксперименты проводили на системе многослоная пленка [Zr(20 nm)/Ti(20 nm)]12 −подложка (сплав ВТ6); общая толщина пленки составляла 480 nm. Осаждение нанослоев осуществляли магнетронным методом путем поочередного распыления Ti и Zr мишеней. Перед осаждением пленок механически полированные подложки в виде дисков диаметром 20 и толщиной 3 mm облучали НСЭП с длительностью импульса 2.5 µs при плотности энергии 2.5 ÷ 3 J/cm2 и числе импульсов N = 40. Назначение этой операции — эффективная очистка и гомогенизация поверхностного слоя с целью уменьшения вероятности локального отслоения пленки в результате кратерообразования, имеющего место при облучении металлов и сплавов НСЭП [3–5]. Образцы [Zr(20 nm)/Ti(20 nm)]12 /ВТ6 однократно облучали НСЭП при 3.5 J/cm2 . Для уменьшения остаточных напряжений, формируемых в зоне термического влияния [3,5,8], часть облученных образцов отжигали (500◦ C, 2 часа) в безмаслян