Cấy ion là phương phỏp đưa chất pha tạp vào lớp bề mặt chất rắn trong điều kiện khụng cõn bằng. Cỏc ion của chất pha tạp được gia tốc tới năng lượng thớch hợp và được bắn vào bề mặt vật liệu cần pha tạp. Cỏc ion đõm xuyờn qua lớp bề mặt và sau đú dừng lại ở lớp gần bề mặt. Kỹ thuật đó được dựng với quy mụ thương mại để tạo ra cỏc pha tạp mỏng trong chất bỏn dẫn. Kỹ thuật cũng được ỏp dụng rộng rói để biến đổi và nghiờn cứu vật liệu kim loại và
79
7.2.1 Cỏc quỏ trỡnh vật lý cơ bản
Cỏc quỏ trỡnh xảy ra từ khi ion đập vào bia, bị làm chậm lại đến khi dừng hẳn; chuyển
động tiếp theo của cỏc nguyờn tử và khuyết tật vừa hỡnh thành, cũng như trạng thỏi vật chất
tạo thành của chất rắn sau khi cấy ion là cỏc vấn đề vật lý cơ bản. Chiều dài đõm xuyờn của ion phụ thuộc vào vận tốc và bản chất của cỏc quỏ trỡnh truyền năng lượng cho vật rắn. Dải năng lượng của mỏy cấy ion thường dựng (20ữ400keV) (Hỡnh 7.8). Hai quỏ trỡnh mất năng lượng chớnh của ion là quỏ trỡnh kớch thớch điện tử và va chạm hạt nhõn. Cả hai quỏ trỡnh đều phụ thuộc vào nguyờn tử số và số khối của ion và nguyờn tử. Cỏc ion nặng cú chiều dài đõm xuyờn nhỏ hơn nhiều so với cỏc ion nhẹ.
Đối với kim loại, tốc độ tiờu hao năng lượng do tương tỏc hạt nhõn cũng quyết định mức độ sai hỏng mạng của vật rắn. Cỏc quỏ trỡnh dịch chuyển nguyờn tử do va chạm dẫn đến sự
hỡnh thành cỏc nỳt trống (NT) và nguyờn tử ngoài mạng (NTNM). Vỡ tốc độ tiờu hao năng lượng nằm trong khoảng 100 eV/nm, và năng lượng cần thiết để dịch chuyển một nguyờn tử vào khoảng 25 eV, nờn mật độ cỏc khuyết tật thường rất lớn và cú phõn bố khụng đều. Cỏc khuyết tật này cú thể di chuyển và kết hợp thành cỏc cụm khuyết tật cú kớch thước lớn hơn, gõy nờn quỏ trỡnh khuếch tỏn tăng cường, phõn ly tăng cường và xỏo trộn thành phần nguyờn tử. Cỏc quỏ trỡnh này dẫn đến sự sắp xếp lại thành phần trong vật rắn và là quỏ trỡnh quan
trọng nhất của kỹ thuật cấy ion. Cho đến nay sự hiểu biết về quỏ trỡnh trờn vẫn chưa đầy đủ, song trong thực tế, để cú được cỏc vật liệu với tớnh chất mong muốn, ta chỉ cần biết phõn bố của mật độ cỏc ion tạo thành sau khi cấy ion. Trong quỏ trỡnh cấy ion, số NTNM rất lớn nờn trong cấu trỳc tế vi hỡnh thành mật độ dày đặc cỏc khuyết tật. Ở nhiệt độ thấp, cả cỏc NT;
NTNM đều khụng linh động và bị hủy cặp ở cỏc NT, nguồn thu khỏc, để lại phõn bố của cỏc
NT và cỏc cụm khuyết tật. Ở nhiệt độ cao hơn, cỏc NT cũng trở nờn linh động, chỳng cú thể kết hợp với nhau tạo nờn cỏc nhúm khuyết tật mới và cỏc lệch mạng. Khi liều cấy tăng lờn, cỏc lệch mạng phỏt triển, giao nhau và tạo thành lưới lệch dày đặc. Cấu trỳc tế vi của vật rắn lỳc này rất gần với cấu trỳc của kim loại sau biến dạng nguội.
Vỡ quỏ trỡnh cấy ion là khụng cõn bằng nhiệt nờn ta cú thể tạo được cả dung dịch rắn giả bền. Đõy là một trong những lý do khiến cấy ion trở thành một lĩnh vực đầy hấp dẫn: cú thể tạo ra những hợp kim mới với cỏc tớnh chất mới khỏc thường.
80
Mỏy cấy ion MBP-200 của Liờn hiệp Khoa học Bỏn dẫn Sao Mai Hà Nội
7.2.2 Biến tớnh bề mặt kim loại
Kết quả nghiờn cứu khẳng định rằng, nhiều tớnh chất bề mặt của kim loại được cải thiện sau khi cấy ion: Đú là tớnh cơ, lý, hoỏ, điện và quang.
7.2.2.1 Tớnh chất cơ lý
Biến đổi cỏc tớnh chất cơ lý của bề mặt bằng kỹ thuật cấy ion đó thu hỳt mối quan tõm
đặc biệt trong những năm gần đõy. Cỏc tớnh chất cơ lý bị thay đổi đỏng kể bằng kỹ thuật này
là: độ mũn, độ ma sỏt, độ bỏm dớnh và tớnh mỏi.
- Độ mũn:
Độ mũn của nhiều loại thộp được cải thiện một cỏch đỏng kể sau khi cấy nitơ. Cỏc vật
liệu khỏc cũng chỉ ra kết quả tương tự. Cỏc thớ nghiệm sau đú được tiến hành với cỏc ion khỏc như C, B, Ti, P, Al…và cỏc kết quả cũng thật khớch lệ. Nhiều nghiờn cứu cũn tập trung vào mục đớch nõng cao tuổi thọ của cỏc cụng cụ chớnh xỏc đắt tiền, như dao cắt, khuụn đỳc, mũi khoan… Cỏc kết quả đó chỉ ra khả năng ứng dụng to lớn của kỹ thuật này. Ưu điểm nổi bật của kỹ thuật cấy ion là khụng làm thay đổi hỡnh dạng của cụng cụ và cỏc tớnh chất của vật liệu nền. Nhược điểm của phương phỏp là kớch thước của lớp bề mặt xử lý bị hạn chế.
Dựng phương phỏp cấy ion để nghiờn cứu cơ chế mũn cũng đem lại nhiều kết quả.
Nghiờn cứu chỉ ra rằng, bờn cạnh cơ chế tăng độ cứng của lớp bề mặt, nhiều cơ chế khỏc cũng tham gia vào quỏ trỡnh làm giảm độ mũn. Chỡa khoỏ để cải thiện tớnh mũn của bề mặt là thay
đổi cơ chế mũn chủ đạo, thụng qua việc tăng độ cứng, giảm ma sỏt hoặc thay đổi cỏc tớnh chất
khỏc của bề mặt. Một vớ dụ điển hỡnh là trường hợp cấy nitơ trờn hợp kim Ti-6Al-4V. Cấy ion
đó giảm hệ số mũn 1000 lần và giảm ma sỏt tới ba lần. Lợi ớch này là kết quả của sự thay đổi
rừ rệt về hỡnh thỏi bề mặt cú liờn quan chặt chẽ đến sự hỡnh thành lớp oxit trờn rónh mũn.
- Ma sỏt
Cấy ion cũng cú thể làm giảm hệ số ma sỏt của bề mặt kim loại. Ngoài vớ dụ nờu trờn, trường hợp Ti-6Al-4V, ở đú hệ số ma sỏt giảm từ 0,4 (khi khụng xử lý bằng chựm ion) xuống 0,15 (khi cấy nitơ), ta cũn thấy hàng loạt loại thộp như thộp 304, 440C, 15-5 và 521000 v.v… sau khi cấy Ti và C, hệ số ma sỏt giảm đi 50%. Trong trường hợp của thộp 304, kết quả phõn tớch cho thấy lớp hợp kim vụ định hỡnh Fe-Ti-C được tạo thành và sự giảm ma sỏt liờn quan chặt chẽ với sự cú mặt của lớp vụ định hỡnh. Nếu hợp kim được tỏi kết tinh (chẳng hạn, bằng xử lý nhiệt), lớp vụ định hỡnh đú mất đi, hệ số ma sỏt trở lại giỏ trị trước khi xử lý. Ở tất cả cỏc loại thộp kể trờn đều thấy xuất hiện lớp vụ định hỡnh sau khi mật độ Ti và C cấy vào đạt giỏ trị khoảng 20%.
- Độ cứng
Độ cứng bề mặt nhiều kim loại thay đổi một cỏch đỏng kể khi cấy ion. Chẳng hạn nhụm,
thộp và niken sau khi cấy nitơ độ cứng tăng lờn tương ứng là 4,1; 8 và 1,5 lần. Sự hỡnh thành dung dịch rắn xen kẽ, sự hiện diện của cỏc lớp phõn ly, sự hỡnh thành cỏc lệch mạng là nguyờn nhõn chớnh gõy nờn những hiệu ứng trờn.
81
7.2.2.2 Tớnh chất hoỏ học
Cấy ion cũng làm thay đổi cỏc tớnh chất hoỏ học của nhiều kim loại như tớnh oxy hoỏ, tớnh ăn mũn, đặc tớnh xỳc tỏc bề mặt v.v… Do lớp bề mặt xử lý mỏng nờn núi chung, cỏc bề mặt xử lý bằng cấy ion khụng thớch hợp lắm với cỏc mụi trường quỏ khắc nghiệt. Tuy nhiờn
đối với cỏc mụi trường ớt khắc nghiệt hơn, cấy ion cú thể đem lại lợi ớch rất thiết thực. Đặc
biệt cấy ion là phương phỏp rất tiện lợi cho cỏc nghiờn cứu hệ thống về ăn mũn, như việc xỏc
định ảnh hưởng của thành phần và cấu trỳc đối với cỏc tớnh chất điện hoỏ của vật liệu.
- Oxy hoỏ
Cỏc nghiờn cứu về oxy hoỏ phần lớn tập trung vào vấn đề khảo sỏt ảnh hưởng của cấy ion
đối với tốc độ oxy hoỏ của kim loại. Kết quả cho thấy cỏc nguyờn tố Ba, Rb, Cs, Eu, Ce, Y,
Mo cú tỏc dụng cản trở quỏ trỡnh tạo thành lớp oxit trong kim loại. Chẳng hạn như khi cấy Al vào hợp kim Fe-Cr-Al-Y, tốc độ oxy hoỏ của chất mới giảm đi 140 lần so với mẫu khụng xử lý. Sự cải thiện này liờn quan mật thiết với lớp oxit chứa nhụm gần bề mặt. Cỏc kết quả nghiờn cứu trờn thộp cũng chỉ ra rằng, sau khi cấy ion, thộp cú lớp oxit mỏng hơn rất nhiều so với mẫu đối chứng trong cỏc điều kiện mụi trường oxy hoỏ như nhau. Lý do là cỏc ion được
đưa vào đúng vai trũ hàng rào ngăn chặn sự xõm nhập tiếp theo của oxy mụi trường.
- Ăn mũn
Ưu điểm nổi bật của cấy ion trong nghiờn cứu ăn mũn là khả năng tạo nờn cỏc dung dịch
rắn đơn pha (giả cõn bằng và giả bền). Vỡ tổ chức tế vi 2 pha bao giờ cũng dẫn đến khả năng chống ăn mũn kộm hơn. Cỏc nghiờn cứu thường tập trung vào khảo sỏt ảnh hưởng của thành phần chất bổ sung lờn đặc tớnh ăn mũn của cỏc kim loại cũng như tỡm ra cỏc cơ chế ăn mũn trong cỏc mụi trường khỏc nhau. Một hướng nghiờn cứu khỏc tập trung vào việc tạo ra cỏc hợp kim mới vốn khụng được tạo ra bằng cỏc phương phỏp luyện kim thụng thường, chẳng hạn, Ta vào Fe. Ở đõy, ta cú hiệu ứng tương đương trong mụi trường ăn mũn, song điều này khụng thể thử nghiệm ở cỏc điều kiện bỡnh thường được, vỡ độ hoà tan của Ta vào Fe rất thấp. Kết quả cho ta thấy lớp màng mỏng tạo thành cú tỏc dụng bảo vệ rất tốt.