温度对氮离子等离子体源离子注入N-PSIITi6Al4V表面改性影响
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CNIC-01617 SWIP-0139
温度对氮离子等离子体源离子注入 （N-PSII）Ti6Al4V 表面改性影响 INFLUENCE OF TEMPERATURE ON PROPERTIES OF NITROGEN PLASMA SOURCE ION IMPLANTATION (N-PSII) OF TI6Al4V ALLOY
(In Chinese)
中国核情报中心 China Nuclear Information Centre
CNIC-01617 SWIP-0139
温度对氮离子等离子体源离子注入 （N-PSII）Ti6Al4V 表面改性影响
耿 漫 赵 青 童洪辉 （核工业西南物理研究院，成都，610041）
摘要
对 Ti6Al4V 合金进行温度范围从 100 ℃到 600 ℃，离子注入剂 量为：4×1017 cm-2 氮离子等离子体源离子注入（N-PSII）。用俄歇 电子能谱仪（AES）对注入样品进行元素深度分布剖面分析。用显 微硬度及针盘磨损试验机测试表面改性的效果。利用 X 射线衍射 （XRD）分析表面改性层晶相的变化，X 射线为 Cu 激励 Kα射 线。利用扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌及磨痕宽度。分析 发现，当温度从 100 ℃升到 600 ℃时，注入层厚度明显增加。其 中，高温注入时获得较高的表面硬度和较好抗磨损性。利用扫描电 子显微镜观察注入后表面形貌发生明显变化。XRD 分析发现，随 温度升高注入层表面形成 TiN 和 Ti2N 析出相。
1 实验
本次实验选用 α＋β 型 Ti6Al4V 合 金 ， 利 用 线 切 割 把 合 金 切 成 ： 30
关键词：升温离子注入， N-PSII， 磨损，Ti6Al4V 合金
1
Influence of Temperature on Properties of Nitrogen Plasma Source Ion Implantation (N-PSII) of Ti6Al4V Alloy
(In Chinese)
等离子体源离子注入（PSII）是当今最新发展的表面改性技术，它具有许多独特的优点 [4，5]，单独利用氮等离子源离子注入（Nitrogen Plasma Source Ion Implantation 简称 NPSII）对 Ti6Al4V 进行改性已有报道[6]，并取得了一定改性效果，但也存在改性层较浅的 缺点。一般注入硬化层只有 60～100 nm，很难满足工程应用需要。在文献 [7，8] 报道， 升温注入不但能形成更稳定的硬化析出物，而且，硬化改性层的厚度显著增加，热辐射 增强扩散效应在相对短时间内产生较硬的硬化层。本文将探索一条新的有效表面改性途 径——升温离子注入技术，即利用先进的 PSII 技术加上温度效应进行低能注渗结合改 性。同时利用各种分析手段揭示升温氮离子注入对 Ti6Al4V 表面改性的影响，并对其机 理进行探讨。
Keywords: Ti6Al4V Alloy, Wear, Elevated temperature ion implantation, N-PSII
2
引言Leabharlann 铝合金具有比重小、比强度高、抗蚀性优异、耐热性好等突出优点，在航空航天、生 物医学工程、汽车、能源等各方面得到了广泛应用，而被称之为本世纪最有发展前景的 “地上金属” 材料[1]。虽然钛合金有较广泛的用途，但还存在一些问题，如：加工成本 高，钛合金的摩擦系数大，耐磨性差。这些严重影响了钛合金的使用。目前虽有一些技 术能提高钛合金的表面性能[2，3]，如固态渗氮、离子氮化、等离子喷涂、激光气体表面合 金化等表面技术来提高钛合金的耐磨性，但效果不显著，在某些实际应用中达不到令人 满意的效果。
GENG Man ZHAO Qing TONG Honghui (Southwestern Institute of Physics, Chengdu, 610041)
ABSTRACT
Specimens of Ti6Al4V alloy were implanted with nitrogen plasma source ion implantation (N-PSII) at temperatures between 100 ℃ and 600 ℃ to a ion dose of 4 ×1017 cm-2. Auger Electron Spectroscopy (AES) was used to determine the nitrogen concentration depth profiles. Microhardness measurements and pin-on-disk wear test were performed to evaluate the improvements of the surface modification. Glancing angle X-ray diffraction (XRD) was employed to determine the phases presented in the surface modified layer. The thickness of implanted layer increased by about an order of magnitude when the temperature was elevated from 100 ℃ to 600 ℃. Higher surface hardness and wear resistance was also obtained at higher temperature. Scanning electron microscopy (SEM) showed distinct microstructural changes and the presence of titanium nitrides in the implanted surface.
温度对氮离子等离子体源离子注入 （N-PSII）Ti6Al4V 表面改性影响 INFLUENCE OF TEMPERATURE ON PROPERTIES OF NITROGEN PLASMA SOURCE ION IMPLANTATION (N-PSII) OF TI6Al4V ALLOY
(In Chinese)
中国核情报中心 China Nuclear Information Centre
CNIC-01617 SWIP-0139
温度对氮离子等离子体源离子注入 （N-PSII）Ti6Al4V 表面改性影响
耿 漫 赵 青 童洪辉 （核工业西南物理研究院，成都，610041）
摘要
对 Ti6Al4V 合金进行温度范围从 100 ℃到 600 ℃，离子注入剂 量为：4×1017 cm-2 氮离子等离子体源离子注入（N-PSII）。用俄歇 电子能谱仪（AES）对注入样品进行元素深度分布剖面分析。用显 微硬度及针盘磨损试验机测试表面改性的效果。利用 X 射线衍射 （XRD）分析表面改性层晶相的变化，X 射线为 Cu 激励 Kα射 线。利用扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌及磨痕宽度。分析 发现，当温度从 100 ℃升到 600 ℃时，注入层厚度明显增加。其 中，高温注入时获得较高的表面硬度和较好抗磨损性。利用扫描电 子显微镜观察注入后表面形貌发生明显变化。XRD 分析发现，随 温度升高注入层表面形成 TiN 和 Ti2N 析出相。
1 实验
本次实验选用 α＋β 型 Ti6Al4V 合 金 ， 利 用 线 切 割 把 合 金 切 成 ： 30
关键词：升温离子注入， N-PSII， 磨损，Ti6Al4V 合金
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Influence of Temperature on Properties of Nitrogen Plasma Source Ion Implantation (N-PSII) of Ti6Al4V Alloy
(In Chinese)
等离子体源离子注入（PSII）是当今最新发展的表面改性技术，它具有许多独特的优点 [4，5]，单独利用氮等离子源离子注入（Nitrogen Plasma Source Ion Implantation 简称 NPSII）对 Ti6Al4V 进行改性已有报道[6]，并取得了一定改性效果，但也存在改性层较浅的 缺点。一般注入硬化层只有 60～100 nm，很难满足工程应用需要。在文献 [7，8] 报道， 升温注入不但能形成更稳定的硬化析出物，而且，硬化改性层的厚度显著增加，热辐射 增强扩散效应在相对短时间内产生较硬的硬化层。本文将探索一条新的有效表面改性途 径——升温离子注入技术，即利用先进的 PSII 技术加上温度效应进行低能注渗结合改 性。同时利用各种分析手段揭示升温氮离子注入对 Ti6Al4V 表面改性的影响，并对其机 理进行探讨。
Keywords: Ti6Al4V Alloy, Wear, Elevated temperature ion implantation, N-PSII
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引言Leabharlann 铝合金具有比重小、比强度高、抗蚀性优异、耐热性好等突出优点，在航空航天、生 物医学工程、汽车、能源等各方面得到了广泛应用，而被称之为本世纪最有发展前景的 “地上金属” 材料[1]。虽然钛合金有较广泛的用途，但还存在一些问题，如：加工成本 高，钛合金的摩擦系数大，耐磨性差。这些严重影响了钛合金的使用。目前虽有一些技 术能提高钛合金的表面性能[2，3]，如固态渗氮、离子氮化、等离子喷涂、激光气体表面合 金化等表面技术来提高钛合金的耐磨性，但效果不显著，在某些实际应用中达不到令人 满意的效果。
GENG Man ZHAO Qing TONG Honghui (Southwestern Institute of Physics, Chengdu, 610041)
ABSTRACT
Specimens of Ti6Al4V alloy were implanted with nitrogen plasma source ion implantation (N-PSII) at temperatures between 100 ℃ and 600 ℃ to a ion dose of 4 ×1017 cm-2. Auger Electron Spectroscopy (AES) was used to determine the nitrogen concentration depth profiles. Microhardness measurements and pin-on-disk wear test were performed to evaluate the improvements of the surface modification. Glancing angle X-ray diffraction (XRD) was employed to determine the phases presented in the surface modified layer. The thickness of implanted layer increased by about an order of magnitude when the temperature was elevated from 100 ℃ to 600 ℃. Higher surface hardness and wear resistance was also obtained at higher temperature. Scanning electron microscopy (SEM) showed distinct microstructural changes and the presence of titanium nitrides in the implanted surface.