Surface modification of ZrO₂-3Y₂O₃ ceramics with high-intensity pulsed N²⁺ i.pdf В современном производстве керамика часто выступает альтернативой при изготовлении деталей и изделий, которые ранее традиционно изготавливались из металлов и сплавов [1]. Среди всего разнообразия видов керамики особое место занимает керамика на основе частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСДЦ), которая шиpoкo иcпoльзуетcя для создания жаропрочных покрытий, пигментoв, твеpдых электpoлитoв, кaтaлизaтopoв, изделий для медицинского применения и т.д. [2]. В отличие от металлов и сплавов механическая обработка керамики крайне затруднительна. В этой связи большие перспективы имеет поверхностная обработка керамических материалов пучками заряженных частиц [3-6]. Такая обработка также может быть использована для создания градиентных керамических структур, что существенно расширяет области применения керамики. Так, в работе [7] было показано, что обработка ЧСДЦ ионами углерода приводит к кардинальному изменению структурно-фазового состояния и прочностных свойств ее приповерхностных слоев. Причем эффективность ионной обработки сильно зависит от режимов облучения. Одним из важнейших технологических параметров является энергия ускоренных ионов. Так, при обработке высокоинтенсивными ионами с энергией сотни килоэлектронвольт ионная обработка носит чисто тепловой характер. При обработке ионами углерода с энергией 200 кэВ в импульсном режиме имеет место упрочнение поверхностных слоев керамики. В настоящей работе представлены результаты обработки ЧСДЦ ионами N2+ в режимах, которые характеризуются более высокими значениями ускоряющего напряжения U и плотностью энергии W, которые впервые достигнуты на установке ТЕМП-6 [8]. Цель работы - исследовать влияние обработки ЧСДЦ интенсивными импульсными ионными пучками N2+ при ускоряющем напряжении U = 250-300 кВ, плотности тока j = 150-200 А/см2 и плотности энергии W = ((3.5 и 5)±5 %) Дж/см2 на структурно-фазовое состояние приповерхностных слоев облученной керамики. Методика эксперимента Исследования проводились для ЧСДЦ, изготовленного плазмохимическим методом. Порошковые компакты получали методом одноосного прессования на прессе ПГР-10 при давлении 150 МПa. Спекание компактов проводили в печи CНOЛ 12/16 при температуре 1673 К в течение 1 ч. Перед ионной обработкой образцы подвергали шлифовке и полировке. В процессе полировки устраняли наведенную во время шлифовки m-фазу. РФА проводили на установке ARL X’tra. Для обработки результатов использовали программный продукт Powder Cell 2.4. Поверхностная модификация керамических образцов проводилась интенсивными импульсными ионными пучками N2+ на ускорителе ТЕМП-6 [8] при U = 250-300 кВ, j = 150-200 А/см2 и W = ((3.5 и 5)± ±5 %) Дж/см2 с количеством импульсов N = 2. Микроструктуру образцов исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Hitachi TM-3000. Электропроводность поверхности керамики измеряли в температурном диапазоне T = 298- 573 К двухзондовым методом сопротивления растекания. Экспериментальные результаты На рис. 1 представлены результаты СЭМ поверхности керамических образцов до и после ионной обработки. После шлифовки и полировки (рис. 1, а) зеренная структура керамики не просматривается, но на поверхности четко видны поры и царапины от обработки абразивом. После облучения керамические образцы меняют исходный белый цвет на черный. Одновременно происходит растрескивание тонкого приповерхностного слоя и его частичное оплавление (рис. 1, б, в). Из рис. 1, в видно, что при W = 5 Дж/см2 выраженных следов оплавления не наблюдается. Вероятно, это связано с попаданием ионного пучка в скопление закрытых пор и высвобождением воздуха, повлиявшего на процесс кристаллизации. Рис. 1. Поверхность циркониевой керамики до (a) и после (б, в) ионного облучения: а - после шлифовки и полировки; б - W = 3.5 Дж/см2; в - W = = 5 Дж/см2 Результаты РФА, представленные на рис. 2, показывают, что ионная обработка приводит к появлению m-фазы в количестве 18 % (рис. 2, б) в приповерхностном слое керамики. Рис. 2. Дифрактограммы циркониевой керамики до (а) и после (б) ионного облучения (W = 5 Дж/см2) Рис. 3. Температурная зависимость электропроводности после ионного облучения: кр. 1 - первое измерение; кр. 2 - второе измерение Результаты измерения проводимости представлены на рис. 3. В пределах чувствительности используемой аппаратуры (1 нА) до ионного облучения при подаче на электроды постоянного напряжения Umax= 3 и 5 В ток через измерительные зонды керамических образцов не фиксировался. Первое измерение проводимости модифицированных слоев керамики проводилось при подаче на электроды постоянного напряжения Umax = 3 В. Температурная зависимость при первом измерении (рис. 3, кривая 1) показывает, что в результате облучения поверхность керамики стала проводящей. Численное значение проводимости при Т = 323 К составило σ = 8.84•10-3 (Ом•м)-1, а при Т = = 403 К σ = 1.84•10-2 (Ом•м)-1. Повторное измерение проводили при Umax = 5 В. Из рис. 3, кривая 2 видно, что после первого измерения наблюдается существенное уменьшение проводимости. Численное значение проводимости при повторном измерении при Т = 400 К составило σ = 2.12•10-5 (Ом•м)-1, а при Т = 573 К σ = 1.27•10-4 (Ом•м)-1. Аппроксимацией кривых 1 и 2 на рис. 3 линейной зависимостью установлено, что при первом измерении энергия активации проводимости Еа = 1.55 эВ, а при втором - Еа = 2.69 эВ. С увеличением числа измерений, сопровождаемых нагревом до Т = 573 К, Еа возрастает, что характерно для протекания процессов окисления. Это подтверждается изменением цвета керамики от исходного черного к белому после многократного нагрева на воздухе. Выводы Обработка ЧСДЦ импульсным интенсивным пучком ионов N2+ приводит к характерным для интенсивного пучкового воздействия изменениям микроструктуры и фазового состава приповерхностных слоев. Структура этих слоев приобретает блочный вид, наблюдается появление m-фазы и нарушение стехиометрического состава по кислороду, приводящее к появлению заметной проводимости.

Скачать электронную версию публикации