Institute of Fundamental Technological Research

The surface layer of an equiatomic TiNi alloy, which exhibits the shape memory effect in the martensitic state, is modified with high-dose implantation of 65-keV N+ ions (the implantation dose is varied from 1017 to 1018 ions/cm2). TiNi samples are implanted by N+, Ni+-N+, and Mo+-W+ ions at a dose of 1017–1018 cm−2 and studied by Rutherford backscattering, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, X-ray diffraction (glancing geometry), and by measuring the nanohardness and the elastic modulus. A Ni+ concentration peak is detected between two maxima in the depth profile of the N+ ion concentration. X-ray diffraction (glancing geometry) of TiNi samples implanted by Ni+ and N+ ions shows the formation of the TiNi (B2), TiN, and Ni3N phases. In the initial state, the elastic modulus of the samples is E = 56 GPa at a hardness of H = 2.13 ± 0.30 GPa (at a depth of 150 nm). After double implantation by Ni+-N+ and W+-Mo+ ions, the hardness of the TiNi samples is ∼2.78 ± 0.95 GPa at a depth of 150 nm and 4.95 ± 2.25 GPa at a depth of 50 nm; the elastic modulus is 59 GPa. Annealing of the samples at 550°C leads to an increase in the hardness to 4.44 ± 1.45 GPa and a sharp increase in the elastic modulus to 236 ± 39 GPa. A correlation between the elemental composition, microstructure, shape memory effect, and mechanical properties of the near-surface layer in TiNi is found.

double ion implantation, nitinol, shape mempry effect, nanohardness, elastic modulus

Поверхностный слой эквиатомного сплава TiNi, обладающего эффектом памяти формы в мартенситном состоянии, был модифицирован при помощи высокодозной имплантации ионов N+ с энергией 65keV (доза имплантации составила от 1017 до 1018 ion/cm2). С помощью методов резерфордовского обратного рассеяния ионов (RBS), растровой электронной микроскопии с микроанализом (SEM и EDS),метода XRD в скользящей геометрии, а также измерения нанотвердости и модуля упругости исследовались образцы TiNi после имплантации ионов N+,Ni+−N+,Mo+−W+ дозами от 1017 до ∼1018 cm−2. Между двумя максимумами концентрационного профиля ионов N+ обнаружен пик концентрацииионов Ni+. XRD-анализ в скользящей геометрии образцов TiNi после имплантации ионов Ni+ и N+ показал образование фаз TiNi(B2);TiN; Ni3N. Исследования механических характеристик образцов показали, что висходном состоянии модуль упругости образцов составлял E=56 GPa при твердости H=2.13±0.3 GPa (на глубине 150 nm). После двойной имплантации ионов Ni+−N+, W+−Mo+ твердость образцов TiNi на глубине 150 nm составляла∼2.78±0.95 GPa, а на глубине 50 nm ее значение возросло до 4.95±2.25 GPa при модуле упругости 59 GPa. Отжиг образцов при 550◦C привел к увеличению твердости до 4.44±1.45 GPa и резкому увеличению модуля упругости до значения 236±39 GPa. Обнаружена корреляция между элементным составом, микроструктурой, эффектом памяти формы и механическими свойствами приповерхностного слоя TiNi