STUDIES ON ION IMPLANTED STEEL AND TITANIUM

Résumé
La technique d'implantation à haute énergie est considérée dans l'industrie des semi-conducteurs comme une méthode importante pour fabriquer, en une fois, des jonctions complexes. Le développement récent des accélérateurs à ions lourds a stimulé la recherche dans des domaines plus larges. Ainsi des ions, métalliques ou non, peuvent être implantés dans des métaux pour élaborer des « alliages de surface ». Les propriétés de cette zone de surface peuvent être très différentes de celles de la masse. De l'acier et du titane implantés d'ions divers présentent des variations notables des propriétés de frottement et de corrosion. Sur l'acier, le frottement peut varier de ± 60 %, suivant la nature des ions, ce qu'on tente d'expliquer. L'oxydation à haute température de l'acier ou du titane a été fortement réduite ou augmentée, l'effet dépendant de la dose et de l'électronégativité du dopant. Des expériences de rétrodiffusion d'ions légers ont été faites. Sur l'acier, essayé en frottement, on observe une redistribution, au cours des essais, des atomes implantés. Sur les spécimens de corrosion, on a observé une migration anormalement forte de l'espèce implantée par diffusion le long des joints de grains. L'existence de courts-circuits de diffusion assure une bonne homogénéisation du dopant inhibiteur de corrosion. Quelques applications pratiques de ces travaux sont présentées.

Abstract
Ion implantation is a high voltage process which enables atoms of any element to be projected within and below the surface of a solid to a small depth. This technology is now recognised in the semi-conductor industry as an important method of fabricating complex junctions in a single operation, because ion implantation allows the position and quantity of the dopant to be precisely regulated. The recent development of heavy-ion accelerators has stimulated research into broader fields of study. For example metallic and non-metallic ions may be implanted into metals to produce what may be described as a surface alloy. The physical and chemical properties of the implanted region may therefore be made very different from the bulk material. Steel and titanium implanted with a variety of ions revealed large changes in friction and corrosion properties. Friction tests on steel showed that after implantation the friction changed by as much as ± 60 %, depending on the nature of the implanted ion. Tentative metallurgical reasons for the changes have been given. The high temperature oxidation of steel and titanium has been greatly reduced or enhanced by ion implantation, the magnitude of the effect depending upon the ion dose and the electronegativity of the dopant. The recoil energy spectrum of very light ions projected onto ion implanted specimens may be used to deduce the position and concentration of the implanted species (backscattering). Experiments with a very narrow beam of light ions on friction-tested steel suggest that the implanted ions become redistributed during repeated Wear. Conventional backscattering spectra revealed that anomalously deep migration of implanted species in corrosion specimens may occur as a result of diffusion down grain boundaries. The presence of easy diffusion paths ensures that any local depletion of the oxidation-inhibiting species is rapidly compensated, so that further oxidation is prevented. Some practical implications of this work will be discussed.