DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.047
Ti-2Al-2.5Zr合金N+离子注入表面XPS和XRD分析
四川大学物理系辐射物理及技术教育部重点实验室
中国核动力研究设计院核燃料及材
摘 要:
Ti 2Al 2 .5Zr合金中注入能量为 75keV的N+ 离子 , 注入剂量为 3× 10 17/cm2 和 8× 10 17/cm2 , 注入过程样品的温度低于 2 0 0℃。N+ 离子在Ti 2Al 2 .5Zr合金中的射程借助TRIM 96程序计算为 12 2 2 。注入后的样品用X射线衍射方法 (XRD) 以及光电子能谱方法 (XPS) 进行分析。XRD衍射谱表明有新相生成 , 经分析为TiN和TiO2 , 但这些新相的峰非常微弱 , 很难区分。XPS宽程扫描谱表明注入后样品表面主要为Ti, C , N和O。XPS关于Ti2 p和N 1s窄程扫描谱表明N+ 离子注入后在合金表面确实形成了TiN和TiO2 。
关键词:
中图分类号: TG174.444
收稿日期:2001-07-30
XPS and XRD investigation on N+ ion implantation into Ti-2Al-2.5Zr alloy
Abstract:
Ti 2Al 2.5Zr alloys were implanted with 75?keV N + ions at temperature lower than 200?℃ with implanting dosage of 3×10 17 /cm 2 and 8×10 17 /cm 2. The projected range was about 1?222?? calculated by TRIM 96 program. The implanted samples were analyzed using X ray diffractometer (XRD) and X ray photoelectron spectrometer (XPS) . The X ray diffraction patterns show that the peaks correspond to new phases, TiN and TiO 2 after N + ion implantation. But the peaks for the phases are small and difficult to distinguish. XPS surveys show there are Ti, C, N and O. High resolution XPS collections of the Ti2p and N1s binding energy show that TiN and TiO 2 are formed after N + ion implantation. [
Keyword:
Ti 2Al 2.5Zr alloy; N + ion implantation; XPS; XRD;
Received: 2001-07-30
钛及钛合金具有高强度、 低密度和很好的生物相容性, 且耐蚀性好, 因此在航空航天及生物领域得到广泛的应用。 然而, 由于其表面性质, 尤其是耐磨性较差, 使得其广泛应用受到了限制。 最近, 在钛合金表面生成一层TiN, TiC, Ti (C, N) , 类金刚石 (DLC) 或它们的合成物, 形成多层或功能梯度涂层, 以改善其表面性能, 引起了广泛的研究兴趣
Yilbas等人
离子注入方法可以大大提高材料的硬度和耐磨性, 这种方法也适用于钛合金。 它与其它表面改性方法相比具有很多优点: 1) 基体材料和涂层间的结合力强; 2) 可在低温下进行; 3) 注入离子的分布可以精确控制等。
Ti-2Al-2.5Zr是一种低强、 高塑、 耐蚀、 可焊的单相α钛合金, 主要以管材形式在航空、 航船、 核反应堆等领域充当热交换器中的管路系统。 目前对这种新合金的研究主要集中在一次和循环变形结构
1 实验方法
实验所用的样品为Ti-2Al-2.5Zr钛合金, 切割成20 mm×20 mm×2 mm的试样。 合金的成分见表1。 试样表面用水砂纸打磨, 先后经丙酮、 酒精和去离子水清洗后在K280离子注入机上进行N+离子注入, 先用Ar+ (20 keV) 轰击5 min, 以除去打磨形成的内应力, 然后进行离子注入。 注入参数: 注入能量为75 keV, 束流大小为16.3 μA/cm2, 本底真空度6×10-4?Pa, 充气后为1.6×10-3?Pa。 注入时间为45 min和120 min, 注入剂量分别为3×1017?cm-2和8×1017?cm-2, 注入过程中样品的温度不超过200 ℃。 用TRIM 96程序
用X'Prt pro飞利浦X射线衍射仪分析样品表面注入层的物相组成。 用XSAM 800型多功能电子能谱仪进行表面化学元素分析, 以MgKα为激发源, 功率为13 kV×19 mA, 结合能的测定以C1s (284.6 eV) 进行标定, 实验过程中真空度为3×18-8?Pa。
表1 Ti-2Al-2.5Zr合金的化学成分 (质量分数, %)
Table 1 Chemical composition of Ti-2Al-2.5Zralloy (mass fraction, %)
Al |
Zr | Fe | Si | C | N | H | O | Ti |
2.0 |
2.5 | 0.03 | 0.04 | 0.02 | 0.01 | 0.003 | 0.07 | Bal. |
图1 75 keV N+离子注入Ti-2Al-2.5Zr合金后的分布
Fig.1 Distribution of N+ ion implanted into Ti-2Al-2.5Zr at energy of 75 keV
2 结果及讨论
2.1 XRD结果
图2和图3分别给出了Ti-2Al-2.5Zr离子注入前后的XRD测试结果。 可见N+离子注入前的钛合金是一种单相α钛合金, 且为hcp结构, 没有出现β相, 这与文献
图2 N+离子注入前Ti-2Al-2.5Zr表面的XRD衍射谱
Fig.2 XRD pattern of Ti-2Al-2.5Zr before N+ ion implantation
图3 N+离子注入后Ti-2Al-2.5Zr表面的XRD衍射谱
Fig.3 XRD patterns of Ti-2Al-2.5Zr after N+ ion implantation (a) —3×1017/cm2; (b) —8×1017/cm2
2.2 XPS结果
N+离子注入后, Ti-2Al-2.5Zr样品表面的XPS宽程扫描结果 (0~1 000 eV) 见图4。 由图4可以看出, N+离子注入后两种样品的表面主要是Ti, O, N, C的信号。 随着N+离子注入量的增加, 氮的信号增强, 并且氧的信号也随之增强。 由此可以看出, 材料表面N的含量与其注入量成正增长关系。
图4 N+离子注入后Ti-2Al-2.5Zr表面的XPS全谱图
Fig.4 XPS survey energy spectra of Ti-2Al-2.5Zr after N+ ion implantation (a) —3×1017/cm2; (b) —8×1017/cm2
此外, 对每组样品表面的钛和氮元素进行了窄程扫描, 并用KRATOA 公司的程序解谱, 结果见图5和图6。 可见Ti2p3/2峰和Ti2p1/2峰均可分解为3个峰, 对应着TiO2, Ti2O3, TiN的Ti2p3/2和Ti2p1/2, 且Ti氧化物对应峰的面积大于TiN峰所对应的面积。 样品表面也不排除有TiO (Ti2p3/2对应455.0 eV) 的可能, 只是它的位置与TiN 的Ti2p3/2 (454.8 eV) 接近, 可能被覆盖了。 而图5中N1s XPS谱图N1s对应于TiN 的N1s峰的位置 (396.9 eV) , 表明注入后的N以TiN的形式存在。 结合图3说明N+离子注入TiNi形状记忆合金后在表面形成了TiN, 同时生成了Ti的氧化物。
图5 N+离子注入后Ti-2Al-2.5Zr表面的Ti2pXPS谱图
Fig.5 Ti2p XPS energy spectra of Ti-2Al-2.5Zr after N+ ion implantation
(a) —3×1017/cm2; (b) —8×1017/cm2
图6 N+离子注入后Ti-2Al-2.5Zr表面的N1s XPS谱图
Fig.6 N1s XPS energy spectra of Ti-2Al-2.5Zr after N+ ion implantation
(a) —3×1017/cm2; (b) —8×1017/cm2
4 结论
1) XRD衍射谱表明有新相生成, 经分析为TiN和TiO2, 但这些新相的峰非常微弱, 很难区分。
2) XPS宽程扫描谱表明注入后样品表面主要为Ti, C, N和O的信号。 XPS关于Ti2p和N1s窄程扫描谱表明N+离子注入后在合金表面确实形成了TiN和TiO2。
参考文献
[14] ZieglerJE , BiersackJP , LittmarkU .TheStoppingandRangeofIonsinSolids[M ].PergamonPress, 1985.