Iontová implantace titanových slitin

J. Drahokoupil¹, J. Kopeček¹,P. Veřtát², P. Vlčák³

¹Fyzikální ústav, Akademie věd České Republiky, Na Slovance 2, 182 21 Praha 8, Česká Republika

²Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská v Praze, České vysoké učení technické v Praze, Trojanova 13, 120 00 Praha 2, Česká Republika

³Ústav fyziky, Fakulta strojní, České vysoké učení technické v Praze, Technická 4, 166 07 Praha 6 - Dejvice, Česká Republika

draho@fzu.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 pro některé aplikace je však jejich špatné chování v tahu, nedostatečná povrchová tvrdost a špatná 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). Ovlivněná hloubka iontovou implantací dosahuje pouze několika stovek nanometrů. Při iontové implantaci dusíku do titanu dochází postupně k nárůstu mřížkových parametrů původní hexagonální struktury. Na difrakčním záznamu jsou dokonce patrná maxima, nejenom asymetrie píků, viz obrázek 1. Při větší dávce dochází k formování TiN fáze. Při implantaci za pokojové teploty nedochází k tvorbě Ti2N fáze.

Obrázek 1. Porovnání difrakčních záznamů dusíkem implantovaných povrchů titanu.

Během implantace dochází nejenom k vniku iontů do povrchu vzorku, ale také k odprašování povrchových atomů, tvorbě vakancí a intersticiálů. Při větších dávkách se začne formovat plynný dusík, který má snahu opustit titanovou matrici. V závislosti na krystalografické orientaci dochází k tvorbě puchýřků či prasklin, jak je možné pozorovat na obrázku 2.

Obrázek 2. Povrch titanové vzorku implantovaného s fluencí dusíku 9 · 10¹⁷ cm^-2.

Pro malé dávky jsme pozorovali nárůst mřížkového parametru kubické TiN v závislosti na dávce implantovaných iontů. Při dávce 2 · 10¹⁷ cm^-2 dochází k jistému nasycení a následnému mírnému poklesu mřížkového parametru, který se pro dávku 9 · 10¹⁷ cm^-2 opět zvětší na svou maximální hodnotu. Obdobný pokles pro dávky 3 a 6 · 10¹⁷ cm^-2 byl dobře pozorovatelný i na dalších vzorcích, které byli po implantaci žíhány. Nejde tedy jen o nepřesnost měření. Pomocí DFT výpočtů lze ukázat, že vakance ve struktuře TiN způsobují pokles mřížkového parametru. Pro malé dávky se tedy můžeme domnívat, že menší mřížkový parametr je způsoben vakancemi ve struktuře TiN. Obdobně lze pomocí DFT ukázat, že pokud nahradíme ve struktuře TiN některé titanové pozice dusíkem, dojde také ke zmenšení mřížkového parametru. Tímto způsobem lze vysvětlit pokles v oblasti středních dávek. Největší otázky zůstávají u opětovného nárůstu mřížkového parametru při dávce 9 · 10¹⁷ cm^-2. Jedním z možných vysvětlení je vytvoření kanálů a nanopórů pomocích kterých už může přebytečný dusík snáze utíkat a redukuje množství přebytečného dusíku v TiN struktuře.

Obrázek 3. Závislost mřížkového parametru na TiN na implantované dávce.