Surface Oxidation and Fast 18O Implant Diffusion in Nanostructured Layers of Ti-6Al-4V Alloy

Abstract

У даній роботі спостерєжено формування приповерхневої бар’єрної композитної окисної плівки та швидка дифузія імплантованих ізотопів 18O в модифікованих шарах сплаву Ti-6Al-4V. Друга стадія дифузії протікає у швидкому та надшвидкому режимах. Модифікація зразків була виконана з використанням іонної імплантації та наступного термічного відпалу. Параметри іонної імплантації: енергія іонів 18O+ 30 кеВ; флюенс 3 × 1017 іонів/см2; температура RT. Після імплантаційній відпал був реалізований при температурах у діапазоні 100…800 °C з відстанню у 100 °C. Вторинна іонна масспетрометрія (ВІМС-SIMS) та скануюча електронна мікроскопія (СЕМ-SEM) виконані для дослідження зразків. З ВІМС-профілів була витягнута залежність величин ефективних коефіцієнтів дифузії (ЕКД) імпланту 18O від температури у ареніусових координатах. Ареніусова крива ЕКД показує, що у сплаві Ti-6Al-4V дифузія 18O-імпланту протікає у дві стадії: i) атермічної, радіаційно-прискореної дифузії при температурах у діапазоні 100-400 °C та ii) швидкої, термічно-активованої при 500-700 °C. Надшвидкий режим дифузії спостерігається при температурі 800 °C та вище. Захисна композитна окисна плівка була утворена в приповерхневих шарах сплаву після відпалу при температурах у діапазоні 400-600 °С. Розчинення цієї плівки виявлено при 700-800 °С. Міграція 18O-імпланту протікає на тлі утворення наступних діелектричних включень нової фази, стабільних аж до відпалу при 800 °С: часток з середнім розміром 30 нм; і стовпчатих нанокристалів, орієнтованих перпендикулярно поверхні зразків. Обговорюються подробиці та можливий механізм міграції 18O-імпланту, утворення поверхневої окисної плівки та диелектрічних нановключень, їх термічна стабільність.

В настоящей работе обнаружено образование приповерхностной барьерной композитной оксидной плѐнки и две стадии диффузии имплантированных изотопов 18O в модифицированных слоях сплава Ti-6Al-4V. Вторая стадия диффузии протекала в быстром и сверхбыстром режимах. Модификация образцов была выполнена с использованием ионной имплантации и последующего термического отжига в сверхвысоком вакууме (СВВ). Параметры ионной имплантации: энергия ионов 18O+ 30 кэВ; флюенс 3 × 1017 ионов/см2; температура RT. После имплантационный отжиг был реализован при температурах в диапазоне 100…800 °C с шагом в 100 °C. Вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС-SIMS) и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ-SEM) использованы для исследования образцов. Из ВИМС-профилей была извлечена зависимость величин эффективных коэффициентов диффузии (ЭКД) импланта 18O от температуры в аррениусовых координатах. Аррениусова кривая ЭКД показывает, что в сплаве Ti-6Al-4V диффузия 18O-импланта протекает в две стадии: i) атермической, радиационно-стимулированной диффузии при температурах в диапазоне 100-400 °C и ii) быстрой, термически активируемой при 500-700 °C. Сверхбыстрый режим диффузии наблюдается при температуре 800 °C и выше. Защитная композитная оксидная плѐнка была образована в приповерхностных слоях сплава после отжига при температурах в диапазоне 400-600 °С. Растворение этой плѐнки обнаружено при 700-800 °С. Миграция 18O-импланта протекает на фоне образования следующих диэлектрических включений новой фазы, стабильных вплоть до отжига при 800 °С: частиц со средним размером 30 нм; и столбчатых нанокристаллов, ориентированных перпендикулярно поверхности образцов. Обсуждаются подробности и возможный механизм миграции 18O-импланта, образование поверхностной оксидной плѐнки и диэлектрических нановключений, их термическая стабильность.

A formation of the near surface barrier composite oxide film and two-stage 18O implant diffusion in modified layers of Ti-6Al-4V alloy were observed in the present work. Fast and super fast regimes occur during second stage of the diffusion. Sample modification was performed using ion implantation and subsequent thermal annealing in ultra-high vacuum (UHV) atmosphere. Parameters of ion implantation are the following: 18O+ ion energy of 30 keV; fluence of 3 × 1017 ion/cm2; RT. Post-implantation annealing was performed in the temperature range of 100…800 °С by a step of 100 °С. SIMS and SEM techniques were applied for the sample characterisation. Effective diffusion coefficients (EDC) of 18O implant were extracted from SIMS depth profiles. An Arrhenius plot of the EDC shows that 18O implant diffusion in Ti-6Al-4V proceeds by the two stage mechanism: i) athermal, radiation-enhanced diffusion in range of 100-400 °С; and ii) fast, thermally activated diffusion at 500-700 °С. A super fast regime of the diffusion occurs above 800 °С. A protective composite oxide film was formed in near surface alloy layers after annealing in the temperature range of 400-600 °С. Dissolution of this film was observed at 700-800 °С. Activation enthalpy values of 18O implant diffusion were obtained too. Migration of 18O implant correlates with a formation of the following dielectric inclusions of a new phase that are stable up to annealing at 800 °С: particles of average size of 30 nm; and column nanocrystals oriented perpendicularly to the sample surface. Details and possible mechanisms of 18O implant migration, surface oxide film formation, dielectric nanoinclusion formation and its thermal stability were discussed.