离子注入金属材料的表面改性及计算机模拟

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1、摘要针对工模具材料广泛应用的N，Ti，C及其复合离子注入，本论文通过俄歇电子能谱分析(AES)，X射线衍射分析(XRD)，X射线小角度掠射分析(GIXRD)，卢瑟福背散射分析(RBS)，X射线光电子能谱分析(XPS)，扫描电镜形貌分析(SEM)等方法，研究了材料注入后的显微结构、硬度、磨损以及微动磨损性能和磨损机制，对改性机理作了分析：结合实际生产中使用的工模具，从硬度、结构和寿命实验等，考察了离子注入+渗氮复合工艺对工模具材料表面梯度改性层形成的影响；根据离子注入过程所涉及的物理和化学现象，建立了相关的数学模型，

2、并按照软件工程学思想，独立开发了一整套离子注入射程分布CAD系统，从而为今后实现离子注入全过程的智能化(包括工艺设计、材料选材、结构性能预测和效果评估等)打下较好的基础。研究结果表明，离子注入能在材料表面形成一定厚度的改性层；低剂量下，注入元素都近似呈高斯分布。随剂量升高，注入元素的深度分布曲线逐渐变成梯形，直至在近表面处形成一平台，注入温度的升高(大束流密度)，有利于注入元素在基体中的扩散，该扩散效应使注入元素浓度分布曲线明显加宽；一定剂量和注入温度下，注入元素在改性层中形成了TiC，TiN，Fe。Ti，Fe，C

3、，，Fe“，等各种新化合物相，新相的比例随注入剂量和温度的增高而增大：若注入元素含C，则在中等剂量下，且温度足够低时，其表面即出现非晶化和石墨非晶相，而不含C的注入则需在很高的注入剂量下才能出现非晶化：新合金相的形成和晶粒的细化，会导致表层硬度的升高，能增强材料的抗磨损性能，磨损与剂量的变化关系同磨损与硬度的变化关系相似，并可使磨损从不利的粘着磨损转向磨粒磨损，同时提高材料的抗磨粒磨损性能；对于含有C的注入而言，由于在表层形成的石墨非晶相，可使材料的摩擦系数降低，使材料的抗磨损和抗微动磨损性能都得到进一步提高；总体

4、上，双注入由于能使生成的化合物相种类和比例增加，从而使改性的效果优于单注入。对于可控渗氮+注入复合改性而言，其改性层从表到里依次为注入层、渗氮层和氮化扩散层，渗氮层中没有形成脆硬的白层相，注入层中则出现高硬度的合金相(如TiN)，整个改性层呈现出优良的梯度结构，且改性层厚度比单纯注入工艺大为增加，使材料的磨损性能和零件的使用寿命得到进一步提高。本论文还着重介绍了自主开发的基于输运理论和蒙特卡罗方法的计算离子注入射程分布的软件集成系统JTU—PRII(JiaotongUniversity-ProjectRangeIo

5、nImplantation)，该系统整体上具有通用性、高效性和实用性。通用性即：该系统具有注入离子参数库和注入零件材料库的生成和调用功能，能计算各种注入条件下，包括各种注入离子，各种成分和形状的靶材，不同注入能量、注入剂量和注入角度时注入离子在靶材中的分布：高效性即：由于用数值拟合公式代替了数值迭代求解，用固定飞行路程代替随机路程，使计算效率大大提高，计算速度大大加快；实用性即：由于数学模型考虑了溅射效应、多成分靶处理和靶材成分在注入过程中的动态变化，加之蒙特卡罗方法的固有特性，使计算的前提假设更接近实际，计算结果

6、更加准确。该系统软件按照软件工程学思想进行设计，文挡齐全，程序用VB6．0编制，并通过了相应的软件测试。与其它著名的同类软件，如TRIM和SASAMA相比，该软件系统计算速度快，界面美观，操作便捷，能动态显示中间计算结果和注入过程曲线的变化，可调用、计算、比较、注释、拷贝和打印各条成分分布曲线；计算结果与实验结果吻合好。ABSTRACTForthewidelyusedimplantationandcombinedimplantationofN，Ti，Cintovarioustoolsanddies，thisthes

7、isstudiedthemicrostructure，hardness，wearandfrettingbehaviorafterimplantationbyusingAES，XRD，GIXRD，RBS，XPSandSEM，andanalyzedthemodifyingmechanism；discussedtheinfluenceofcombinedimplantationandcontrollednitridingonthegradientlayerformedonthematerialsurface；develo

8、pedasetofCADsystemforrangedistributionofimplantedions，Soitwillprovideastrongbasisfortheintelligentizationofionimplantationprocess．Thisresearchindicatedthat，amodifyinglayerwillforma