Iontová implantace titanových slitin
J. Drahokoupil1,2,3, M. Lebeda1,2,3,P. Hruška1, J. Kopeček1, A. Školáková1, 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, Technická 4, 166 07 Praha 6 - Dejvice, 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 menšímí dávka do titanu dochází postupnému k nárůstu mřížkových parametrů původní hexagonální struktury. S rostoucí dávkou pak dochází tvorbě kubické TiN fáze. Pokod budeme s implantací nadále pokračovat, začnou se oběvovat puchářky a prasklinky, s ještě větší dávkou se pak puchářky odlupují a odhalují porézní strukturu TiN (obr 2). Na obr. 1 je fotografie povrchů sady vzorků titanu (Ti grade II) s různou implantovanou dávkou pod 1E+17 po 27E+17 inotnů dusíku na cm2. Je patrné, že s rostoucí dávkou povrch vzorku postupně zlátne (TiN fáze) a pak začne díky poréznímu povrchu viditelně tmavnout.
Obrázek 1. Fotka dusíkem implanovaných vzorků titanu. Číslo na vzorku značí dávku v jednotkách 1017 iontů N/cm2.
Obrázek. 2. Povrch titanové vzorku implantovaného s fluencí dusíku 27·1017 cm-2.
Difrakční analýza je komplikována zejména tlouštkou ovlivněné vrstvy, která je v malých stovkách nm, přičmž maximální koncentrace dusíku bývá v hloubce cca 80 nm a také nehomogenitou celé vrstvy. Fáze TiN s menší koncetrací dusíku má menší mřížkové parametry. A obdobně mřížkový parametr hexagonální původně titanové struktury se zvetšuje s rostoucí koncentrací dusíku. Výsledné difrakční záznamy jsou tedy váženou sumou všech přítomných fází s jejich proměnou koncentrací což se projevuje rozšířením difrakčních maxim.
Obrázek. 3. Dífrakční záznamy implantovaných titanových vzorků s různou implantovanou dávkou dusíku.