Iontová implantace titanu

Jan Drahokoupil¹, Petr Veřtát², Petr Vlčák¹

¹Ústav fyziky, Fakulta strojní, České vysoké učení technické v Praze, Technická 4, 166 07 Praha 6 - Dejvice, Česká Republika

²Fyzikální ústav, Akademie věd České Republiky, Na Slovance 2, 182 21 Praha 8, Česká Republika

 jan.drahokoupil@fjfi.cvut.cz

Titan a jeho slitiny jsou hojně používány v leteckém, automobilovém a chemickém průmyslu a nacházejí také široké uplatnění v biomedicínských aplikacích. Důvodem je jejich vysoká pevnost v tahu, dobrá korozní a únavová odolnost, tvárnost, relativně nízký modul pružnosti a výjimečná biokompatibilita a biologická neutralita. Nevýhodou titanu a titanových slitin je však pro některé aplikace špatná odolnost proti otěru, nedostatečná povrchová tvrdost a nedostatečná odolnost vůči některým chemickým prostředím. Z tohoto důvodu je nutno pro mnohé aplikace povrch titanových materiálů modifikovat. V popředí našeho zájmu stojí iontová implantace dusíku. Ukazuje se, že tato metoda značně zlepšuje mechanické vlastnosti a zátěžovou a korozní odolnost velké skupiny materiálů (kovů, polymerů a keramik). U titanu či titanových slitin dochází při implantaci dusíku k tvorbě TiN_x fází [1]. Ovlivněná hloubka iontovou implantací dosahuje pouze několika stovek nanometrů. Proto je velmi důležité mít dobře definovaný povrch vzorku.  Běžná příprava vzorku pomocí leštění se ukázala pro difrakční experimenty ne úplně vhodná, protože dochází k ovlivnění mikrostruktury povrchu a k rozšíření difrakcí. K pochopení dopadu iontové implantace na mikrostrukturu povrchu je vhodné mít povrch s takovou mikrostrukturou, která minimálně ovlivňuje difrakční profily a je tedy možné pozorovat efekty způsobené iontovou implantací.

Je vhodné se podívat i na morfologii a drsnost povrchu, obr. 1. Povrch titanového vzorku (Grade II) vyleštěný do zrcadlového lesku měl drsnost okolo 100 nm. Elektrolytické leštění vytvoří na povrchu sinusové zvlnění, ale lokálně zůstává povrch stále hladký. Iontové leštění (odprašování) preferenčně odprašuje určité krystalografické roviny, viz obr. 2. Data byla naměřena na optickém profilometru firmy Zyko a zobrazena ve volně dostupném programu Gwydion [2]

Obrázek. 1. Porovnání drsnosti po iontovém leštění (nahoře), elektrolytickém leštění (uprostřed) a klasickém leštění (dole).

Obrázek 2. 3D mapa povrchu iontově leštěného vzorku.

Difrakční experimenty byly prováděny na difraktometru X`Pert Pro od firmy PANalytical v grazing incident geometrii s několika úhly dopadu: 0,3°; 0,5°; 0,8°;  1°; 2°; 5°; 10°.  Byla použita Co rentgenka, parabolické zrcadlo a paralelní deskový kolimátor v difraktovaném svazku.  Difrakční záznamy byly zpracovány pomocí rietveldovského programu Topas. Na obr. 3 je zobrazen průběh zastoupení jednotlivých fází v závislosti na úhlu dopadu.

Obrázek 3. Závislost fázového zastoupení ve vzorku Titanu (Grade II) po implantaci dusíku o dávce 2 * 10¹⁷ iont/cm².

Kromě matrice titanu (fáze alfa) je pozorována i obohacená matrice o ionty dusíku, která se projevuje větším mřížkovým parametrem.  Dominantní fází v povrchu je fáze TiN.

1. Y. Z. Liu, et al. Phase formation and modification of corrosion property of nitrogen implanted TiAlV alloy. Vacuum 81: 71–76, 2006.

2. http://gwyddion.net/