Специалисты научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов ТПУ создали инновационный способ обработки стальных сплавов, основанный на воздействии импульсного пучка ионов металлов и газов. Результаты лабораторных исследований продемонстрировали, что данная методика позволяет изменять структуру и свойства материала, что положительно сказывается на его рабочих качествах. В частности, исследователям удалось увеличить износостойкость стали марки AISI 420 в 50 раз и стали марки AISI 321 в 3500 раз.
Исследование проводилось при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № FSWW-2026-0047). Полученные результаты опубликованы в журнале The European Physical Journal — Plus (Q2, IF: 2,9).
На сегодняшний день сталь остается ключевым материалом для производства деталей машин и оборудования в различных отраслях промышленности. Для продления срока их эксплуатации применяются различные методы повышения износостойкости стальных изделий.
Ионная имплантация представляется одним из многообещающих методов, позволяющим изменять поверхностные слои сталей. Это приводит к снижению трения, увеличению твердости, усталостной прочности и повышению устойчивости к коррозии. Однако, область применения этого метода ограничена небольшой глубиной слоя, подвергающегося модификации, что может быть недостаточно для условий эксплуатации, требующих продолжительной стойкости к механическим воздействиям.
Специалисты Томского политеха продемонстрировали методику, позволяющую создавать ионно-легированные слои различной толщины – от нескольких микрометров до десятков.
Предлагаемый подход объединяет несколько этапов, оказывающих влияние на структуру и характеристики материала. Он включает в себя импульсно-периодическую высокоинтенсивную ионную имплантацию с энергией ионов от 50 до 100 кэВ, а также радиационно-стимулированную диффузию при плотности ионного потока около 1 А/см 2, импульсный нагрев поверхности с использованием пучка, обладающего высокой импульсной плотностью мощности и варьирующейся в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен кВт/см 2, обеспечивается интенсивное снижение температуры приповерхностного слоя благодаря передаче тепла от его поверхности внутрь материала.
«По словам соавтора исследования, младшего научного сотрудника научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, быстрое снижение температуры матричного материала во время имплантации позволяет избежать ухудшения его характеристик. Кроме того, даже без ионной легирования, быстрое охлаждение способно оказывать заметное воздействие на структуру и долговечность материала благодаря эффекту сверхзакалки Ольга Корнева.
Согласно проведенным исследованиям, воздействие интенсивного импульсного потока ионов титана, имеющего продолжительность менее миллисекунды, на поверхность стали AISI 420 увеличило ее износостойкость в 50 раз. Ранее ученые доказали, использование импульсно-периодических пучков ионов азота высокой плотности мощности и субмиллисекундной длительности в режиме высокоинтенсивной имплантации позволяет повысить износостойкость стали марки AISI 321 в 3500 раз.
На последующих этапах исследования ученые планируют продолжить изучение разнообразных механических характеристик ионно-легированных слоев, включая микротвердость, износостойкость, коррозионную и усталостную прочность. Будут определены коэффициент трения, механизмы износа и особенности поведения поверхностей при контакте. Также проведут анализ характера износа и выявили основные причины и типы возникающих повреждений.
«В конечном итоге мы стремимся создать технологию, которую можно будет интегрировать в существующие промышленные процессы, чтобы увеличить стойкость к износу, продлить срок службы изделий и обеспечить создание новых или модернизированных продуктов — деталей машин, инструментов, комплектующих с улучшенными рабочими свойствами», — резюмирует Ольга Корнева.