Ученые придумали, как улучшить свойства стали в 100 раз

Ученые Томского политехнического университета усовершенствовали процесс легирования (улучшения свойств металла за счет примесей), что позволяет не только повысить износостойкость материалов, но и придавать им качественно новые характеристики — это востребовано в высокотехнологичных производствах, науке и энергетике. Результаты исследования опубликованы в журнале Surface and Coatings Technology , а также были представлены на международной конференции SMMIB-2019 , завершившейся накануне в Томске. Подробнее об исследовании — в материале РИА Новостей .

По словам ученых ТПУ, сегодня традиционные методы легирования исчерпали свой технологический потенциал. Для изготовления материалов с улучшенными свойствами все чаще прибегают к воздействию на металл пучками заряженных частиц, потоками плазмы и лазерным излучением. Ионная имплантация (ионное легирование) — один из таких методов, который позволяет изменять элементный состав, микроструктуру и морфологию поверхностных слоев, определяющих такие свойства материалов, как износостойкость, коррозионная стойкость и другие.

Томские ученые разработали новый способ ионной имплантации, кардинально расширяющий возможности применения этого метода в промышленности. Так, по словам руководителя исследований, заведующего лабораторией высокоинтенсивной ионной имплантации ТПУ Александра Рябчикова , в экспериментальных условиях удалось повысить износостойкость нержавеющей стали более чем в сто раз.

Кроме того, с помощью этой технологии можно создавать детали и изделия с заданными специфическими свойствами поверхности. К примеру, при ионном легировании циркония титаном формируется барьерный слой, препятствующий проникновению водорода, что может быть применено для увеличения срока и повышения безопасности эксплуатации ядерных топливных элементов.

Применение ионной имплантации в промышленных масштабах сегодня сдерживается малой толщиной формируемых ионно-легированных слоев. Решение этой проблемы за счет увеличения кинетической энергии потока ионов требует использования больших ускорителей, что экономически нецелесообразно.

«Предложенный нами способ увеличения глубины проникновения ионов в материал заключается в усилении радиационно-стимулированной диффузии пучками ионов очень высокой плотности, на два-три порядка превосходящими используемые в традиционной ионной имплантации», — рассказал Александр Рябчиков.

Полученные лабораторией результаты подтверждают возможность создания легированного поверхностного слоя глубиной до нескольких сотен микрометров, в то время как результаты других методов ионного легирования достигают глубины лишь в десятки и сотни нанометров.

Авторы исследования полагают, что развитие метода высокоинтенсивной имплантации ионов с низкой энергией может произвести революцию в технологиях улучшения свойств материалов. Дальнейшие исследования в этом направлении в перспективе позволят удешевить применение этой технологии и повысить качество продукции. Работа ученых ТПУ поддержана грантом Российского научного фонда.

Добавим, в этом году Россия впервые приняла Международную конференцию по модифицированию поверхности материалов ионными пучками (SMMIB-2019) . Она проходила в Томске с 26 августа, рабочая программа конференции завершилась накануне. Организатором конференции стал Томский политехнический университет. Это одно из самых значимых научных событий в своей научной области. Конференция собрала более 150 ученых из 22 стран, это ведущие физики в области ионно-пучковых технологий и новых материалов.