Способ обработки поверхностных слоев изделий из титана

Способ обработки поверхностных слоев изделий из титана

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Область использования: в энергетике, в частности в нетрадиционных накопителях энергии Сущность изобретения заключается в том. что коррозионностойкий высокоэлектропроводный слой на титане создается путем имплантации ионов N с энергией 8 12 кэВ в титан и дополнительного вакуумного напыления слоя никеля толщиной (02-0,4) мкм путем распыления никелевой пластины ионами никеля с энергией 50 кэВ, что позволяет увеличить срок службы никелевого покрытия на титановых токоотводах 1 табл

С(УЮЭ СОВЕ ГСКИХ

СОЦИАЛИС ТИ <Е СКИХ

РЕСПУВЛИК (Я Is С 23 С 14/48

I ()СУЛАГЗСт ВСЕ<НОГ flATEIITHOE

1<едОмсте<О сссР (ГОС(!АTÅ.I

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4937847/21 (22) 20.05.91 (46) 23.07,93. Бюл. М. 27 (71) Институт. физической химии АН СССР и

Институт атомной энергии им. И.В.Курчатова (72) Н.Д.Томашов, О.А.Жильцова, М.И.Гусева, В.Г.Столярова, А.В.Фомин, Г.Н.Лаврова, А.Е,Городецкий, P.X.Çàëààóòäèíîâ и

Б.Г. Владимиров (56) Лаврова Г.Н. Материалы научно-технической конференции. Перспективь< научнотехнического и экономического развития

MTO КВАНТ ЭМП.— М.: 1990 с. 59, Томашов Н.Д., Жильцова О.А., Ковнеристый

В.П. и др. Защита металлов, т. 21, 1985, с. 544.

Изобретение относится к способам обрабо<ки поверхностных слоев металлов с неэлектропроводными пассивирующими слоями методом ионной имплантации и может быть использовано в ряде электрохимических устройств, в частности в нетрадиционных накопителях энергии.

Целью изобретения является увеличеие срока службы изделий из титана путем повышения электропроводности их поверхностных слоев.

Поставленная цель достигается тем, что коррозионностойкий высокоэлектропроводный слой на титане создается путем имплантации в титан ионов с энергией 8-12 кэВ и дополнительного вакуумного напыления на облучаемую поверхность слоя никеля, полученного распылением никелевой

„„5U „„1828877 А1 (54) СГ1ОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ИЗДЕЛИИ ИЗ ТИТАНА (57) Область использования: в энергетике, в

<астности в нетрадиционных накопителях энергии. Сущность изобретения заключается в -том, что коррозионностойкий высокоэлектропроводный слой на титане создается путем имплантации ионов Nl c энергией 8-12 кэВ в титан и дополнительно(о вакуумного напыления слоя никеля толщинои (0,2-0,4) мкм пу<ем распыления никелевой пластины ионами никеля с энергией 50 кэЯ, что позволяет увеличить срок службы никелевого покрь<тия на титановых токоотводах. 1 табл. пластины ускоренными ионами никеля с энергией 50 кэВ.

Энергия ионов никеля на стадии имплантации была выработана в интервале 8—

12 кэВ. так как при меньшем значении энергии глубина проникновения имплантированных ионов никеля будет недо(аточна, а при большем значении энергии г зникнут Q) нежелательные явления распыления повер- ) хностных слоев. Выбранное значение энер- QQ гии обеспечивает оптимальный вариреГт р распыления,.а следовательно, очищения от оксидов и других возможных соединений поверхность титана, а также приводит к формированию размытой твердофазной границы между никелевым покрытием и титановой подложкой. Как следствие повыша- в ется адгезия напыленного покрытия и обеспечивается высокая электропровод1828877 ность поверхностных слоев титана с никелевым покрытием. Энергия ионов никеля на стадии напыления слоя никеля была выбрана 50 кзВ, что соответствует максимальному значению коэффициента распыления никелевой пластины пучком одноименных ионов.

Доза внедрения ионов никеля в титан на стадии ионной имплантации зависит от состояния поверхности титана перед облучением, а именно: от толщины поверхностных слоев титана, содержащих кислород, углерод и другие возможные загрязняющие включения, от которых следует очистить поверхность, для предварительно электрополированной поверхности титана достаточно значение дозы 10 ион/см .

8 заявляемом способе первой стадией обработки является имплантация в титан низкоэнергетических (порядка 10 кэ В) 20 ионов Ni, в результате которой формируется смешанный титан-никелевый подслой и одновременно происходит очистка поверхности.облучаемого титана.от воздушной оксидной пленки, следствие параллельных с имплантацией процессов распыления, Вторая стадия — это вакуумное напыление слоя никеля на очищаемую поверхность титана, на предварительно сформированной смешанной титан-никелевый подслой. Такая З0 обработка позволяет создать на титане толстые (0,2 — О,З мкм, поверхностные слои никеля, характеризующиеся хорошей адгезией к титановой основе (благодаря содержанию в титановой подложке слоя под- З5 легированного никелем) и размытой твердофаэной границей ионнолегированно, го слоя. Следствием указанных особенностей и явилось увеличение электропроводности и срока службы созданного заявляемым способом никелевого покрытия на титановых токоотводах, по сравнению.с покрытием, полученным методом прямой ионной имплантации.

Покрытия полученные предложенным 45 способом, проверены в лабораторных условиях. Электрохимические и коррозионные испытания проводили в 40/ КОН + 5 г/л

ООН при поляризации в интервале потенциалов от -1,0 до+0,5 В, то есть в условиях 50 работы ХИТ. Ресурс работы полученного никелевого покрытия на титановых токоотводах был проверен в макетной сборке ХИТ, За критерий коррозионной стойкости была принята скорость коррозии никеля с повер- 55 хности модифицированного никелем титанового токоотвода. Злектропроводность поверхностных слоев токоотводящих эле- ментов оценивали по значениям контактного сопротивления токоотводя щего элемента ь с угольным электродом в сборке ХИТ. Ниже приводятся примеры конкретного осуществления поверхностного легирования титана никелем предлагаемым способом, иллюстрирующие последовательность и условия операций.

Пример i. В поверхностные слои титановой фольги марки ВТ-1 — диски диаметром 15 и 70 мм и толщиной 50 мкм—

+ имплантировали ионы Ni с энергией 8 кэВ с последующим осаждением слоя никеля путем распыления специальной никелевой пластины ускоренными ионами Ni с энергией 50 кэВ, В результате такого облучения в титане формировался поверхностный никель-содержащий слой толщиной около 0,20 мкм с поверхностной концентрацией никеля приближающейся к 100%, Результаты электрохимических измерений показали, что скорость коррозии никеля с облученной таким образом поверхности в условиях анодной поляризации при р н --0,5 В в 40;ь КОН

5 г/л ИОН была порядка 3 10 г/см ч, т.е. меньше, чем скорость коррозионных потерь эталонного никеля в идентичных условиях, а контактное сопротивление между полученным токоотводом и угольным электродом колебалось в пределах значений

0,27 — 0,40 Ом см, то есть было близко к значениям, соответствующим эталонным никелевым токоотводам. Ресурс работы покрытия, при котором сохранялось необходимое для эксплуатации источника тока . значение электропроводности в условиях ускоренных испытаний составил более полутора лет, Следующие примеры имеют ту же последовательность операций, что и пример 1, но отличаются значением энергии имплантируемого никеля и временем осаждения распыляемого слоя никеля, поэтому основные параметры, характеризующиеся остальные примеры, сведены в.таблицу.

По данным таблицы видно, что наилучшими свойствами, полностью соответствующими требованиям; предьявляемым к токоотводящим элементами ХИТ, обладают покрытия толщиной 0,3 — 0,4 мкм (примеры

3-7). Таким образом дальнейшее утолщение никелевого покрытия на титане экономически нецелесообразно, Электропроводность никелевого покрытия наименьшей толщины — 0,2 мкм., через 1,5 года испытаний несколько возрастает и соответствует предельному значению, допустимому при использовании токоотводящих элементов в ХИТ. Следовательно уменьшение толщины покрытия ни-же 0,2.мкм недопустимо.

1828877 — малым весом токоотводов: в 1,5 раза меньше, чем у эталонного никеля, позволяющим в значительной мере облегчить вес конструкции ХИТ.

Формула изобретения

Способ обработки поверхностных слоев изделий из титана, включающий имплантацию в титан ионов никеля, о т л и ч а ю щ ий с я те.м что. с целью повышения срока службы изделий за счет увеличения электропроводности поверхностных слоев, имплантацию ионов никеля проводят с энергией

8-12 кэВ. а после имплантации осуществляют распыление никелевой пластины ускоренными ионами никеля с энергией 50 кэВ до получения слоя никеля толщиной 0.2-0,4 мкм.

Материал Энергия Время Толщи- СкороКонтактное сопротивление, Ом см

Приимплзн- осажде- íà Nl- сть корме р. началь- через 1 через я, слоя. мкм розии, г/см .ч ное неделю 1,5 года

0,40

0,20

0,42

0,20

0,30

0,30

0,30

0,40

0,40

Ti-Ni -Ni

Ti — К1 -Ni

0,32

0.33

0,32

Т1 — ЬН -Ni

Т1-И) — М

45 .60

0,33

0,32

Ti — й1 -Ni

Прото0;02 5 10 0,36

Т1-Ni

40 тип

10в

0,24

0,22

0,24

50;00 лон

Составитель 0,Жильцова

Техред М.Моргентал Корректор Н. Милюкова

Редактор

Заказ 2468 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Óæl.îðîä, ул.Гагарина, 101

Никелевые покрытия на титане., полученные заявляемым способом(примеры 1 — 7) обладают следующими преимуществами: — высокой коррозионной стойкостью, даже большей, чем у эталонного. никеля; 5 — высокой электропроводностью поверхностных слоев, обеспечивающей значения контактного сопротивления между титановым токоотводом с никелевым покрытием и угольным электродом в ХИТ того же поряд-. 10 ка, что и у эталонного никеля и много мень-. ше, чем у титана, ионнолегированного никелем способом-прототипом; — достаточной для необходимого ресурса работы толщиной никелевого покрытия 15 при хорошей адгезии его к титановой основе;

3 . 10

5. 10"

4 10

3 10

5 10

3 10

4 10

0,27

0,28

0.23

0,22

0.23

0.25

0,24

0,33

0,35

0.29

0,29

0,28

0.30

0,29