Способ обработки поверхностных слоев изделий из титана Советский патент 1993 года по МПК C23C14/48 

Изобретение относится к способам обработки поверхностных слоев металлов с неэлектропроводными пассивирующими слоями методом ионной имплантации и мо- жег быть использовано в ряде электрохимических устройств в частности в нетрадиционных накопителях энергии.

Целью изобретения является увеличе- ие 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

пластины ускоренными ионами никеля с анергией 50 кэВ.

Энергия ионов никеля на стадии имплантации была выработана в интервале 8- 12 кзВ так как при меньшем значении энергии глубина проникновения имплантированных ионов никеля будет недогтзточна, а при большем значении энергии г зникнут нежелательные явления распыления поверхностных слоев. Выбранное значение энергии обеспечи-вает оптимальный вариант 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 повышается адгезия напыленного покрытия и обеспечивается высокая электропроводро

С

00

ю о

00

VJ VI

ность поверхностных слоев титана с никелевым покрытием. Энергия ионов никеля на стадии напыления слоя никеля была выбрана 50 кэВ, что соответствует максимальному значению коэффициента распыления нике- левой 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 злектропо- лированной поверхности титана достаточно значение дозы 10 ион/см .

В заявляемом способе первой стадией обработки является имплантация в титан низкоэнергетических (порядка 10 кэ В) ионов Ni, в результате которой формируется смешанный титан-никелевый подслой и одновременно происходит очистка поверхности облучаемого титана от воздушной оксидной пленки, следствие параллельных с и мплантацией процессов распыления. Вторая стадия - это вакуумное напыление слоя никеля на очищаемую поверхность титана, на предварительно сформированной смешанной титан-никелевый подслой. Такая обработка позволяет создать на титане толстые (0,2-0,3 мкм. поверхностные слои никеля, характеризующиеся хорошей адгезией к титановой основе (благодаря содержанию в титановой подложке слоя под- легированного никелем) и размытой твердофазной границей ионнолегироеанно- го слоя. Следствием указанных особенностей и явилос.ь 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 способом, проверены в лабораторных условиях. Электрохимические и коррозионные испытания проводили в 40% КОН + 5 г/л LIOH при поляризации в интервале потенциалов от -1,0 до +0,5 В, то есть в условиях 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 поверхности модифицированного никелем титанового токоотвода. Электропроводность поверхностных слоев токоотводящих элементов оценивали по значениям контактного сопротивления токоотеодящего элемента

с угольным электродом в сборке ХИТ. Ниже приводятся примеры конкретного осуществления поверхностного легирования титана никелем предлагаемым способом, иллюстрирующие последовательность и условия операций.

Пример 1. 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 Nt+ с энергией 50 кзВ,

в результате такого облучения в титане формировался поверхностный никель-со- держзщий 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 и - 0,5 В в 40% КОН 5 г/л иОНбыла порядка 310 г/см2-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, предъявляемым к токоотводящим элементами ХИТ, обладают покрытия толщиной 0.3-0,4 мкм (примеры

з-7). Таким образом дальнейшее утолщение никелевого покрытия на титане экономически нецелесообразно, Электропроводность никелевого покрытия наименьшей толщины -0,2 мкм, через 1,5 года испытаний нвсколько возрастает и соответствует предельному значению, допустимому при использовании токоотеодящих элементов в XWT. Следовательно уменьшение толщины покрытия ниже 0,2 .мкм недопустимо.

Никелевые покрытия на титане, полученные заявляемым способом (примеры 1-7) обладают следующими преимуществами:

-высокой коррозионной стойкостью, даже большей, чем у эталонного никеля;

-высокой электропроводностью поверхностных слоев, обеспечивающей значения контактного сопротивления между титановым токоотводом с никелевым покрытием и угольным электродом в ХИТ того же порядка, что и у эталонного никеля и много мень-- ше, чем у титана, ионнолегированного никелем способом-прототипом;

-достаточной для необходимого ресурса работы толщиной никелевого покрытия при хорошей адгезии его к титановой основе;

- 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, отличающийся те,м что, с целью повышения срока

службы изделий за счет увеличения электропроводности поверхностных слоев, имЬлан- тацию 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

Область использования: в энергетике, в частности в нетрадиционных накопителях энергии Сущность изобретения заключается в том. что коррозионностойкий высоко- электропроводный 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