Российские ученые придумали, как улучшить свойства стали в 100 раз

Человечество еще несколько веков назад научилось обрабатывать металлы. С открытием способов работы с металлами люди совершенствовали кузнечное дело, пытаясь улучшить свойства металлических изделий. В ход шло все: закалка, создание сплавов, покрытие металлов специальными веществами и так далее. Но в определенный момент и этого стало недостаточно. Тогда на помощь пришли высокие технологии. И совсем недавно группа российских ученых нашла способ улучшить некоторые свойства стали в 100 раз.

Как сообщает издание Еurekalert, за разработкой новой методики стоят ученые из Томского Политехнического Университета (ТПУ), а результаты исследования были опубликованы в журнале Surface and Coatings Technology и представлены на конференции по модификации поверхности материалов ионными пучками (SMMIB) 2019.

Почему понадобилось улучшать свойства металлов?

Дело в том, что на сегодняшний основным способом придать стали (и другим металлам) полезные свойства вроде прочности, износостойкости и так далее является процесс под названием «легирование». Легирование – это, говоря простым языком, добавление в состав металлов дополнительных веществ (примесей) для изменения физических и химических свойств требуемого материала. Сегодня традиционные методы легирования, как сообщается, исчерпали свой технологический потенциал. Поэтому металлы все чаще подвергаются воздействию пучков заряженных частиц, потоков плазмы и лазерного излучения для того, чтобы добиться нужных результатов.

Ионная имплантация (ионное легирование) является одним из методов, позволяющих изменять элементный состав, микроструктуру и морфологию поверхностных слоев, определяющих такие свойства, как износостойкость, коррозионная стойкость, прочность и др. Томские ученые разработали новый метод ионной имплантации, который резко расширяет область применения метода в промышленности. По словам заведующего лабораторией высокоинтенсивной ионной имплантации Александра Рябчикова, им удалось экспериментально повысить износостойкость нержавеющей стали более, чем в сто раз.

Кроме того, данная технология позволяет изготавливать детали и изделия с необходимыми удельными поверхностными свойствами. Например, барьерный слой (то есть внешний слой изделия) образуется путем ионного легирования циркония титаном, что предотвращает проникновение кислорода. Это может быть использовано для увеличения срока службы и безопасности при эксплуатации, например, на атомных станциях и использовании таких металлов в ядерных реакторах.

В настоящее время промышленное применение ионного легирования ограничено малой толщиной образующихся ионно-легированных слоев. И это основная проблема, которая не позволяет использовать новый подход для производства металлов нового типа. Но мы предлагаем увеличить глубину проникновения ионов в материал путем усиления радиационно-индуцированной диффузии пучками ионов высокой плотности, которые на два-три порядка превосходят те, что используются при традиционной ионной имплантации, – сказал Александр Рябчиков.

Таким образом можно будет, как считают ученые, добиться более хороших результатов при создании высокопрочных и износостойких металлов. Полученные в лаборатории результаты подтверждают эту гипотезу. Созданные образцы стали имеют поверхностный слой глубиной в несколько сотен микрометров, в то время как другие методы ионного легирования позволяют получить глубину лишь в несколько десятков нанометров. Авторы подчеркивают, что применение новой технологии позволит изготавливать металлы с уникальными свойствами, что даст возможность в несколько десятков раз повысить качество выпускаемой продукции.