Коллектив научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов ТПУ разработал новый метод обработки стали с помощью воздействия импульсного пучка ионов металлов и газов. Лабораторные эксперименты показали, что такой подход способен менять структуру и свойства материала, улучшая его эксплуатационные характеристики. Так, ученым удалось повысить износостойкость стали марки AISI 420 в 50 раз и стали марки AISI 321 в 3500 раз.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования РФ (грант № FSWW-2026-0047). Результаты исследования опубликованы в журнале The European Physical Journal — Plus (Q2, IF: 2,9).
В настоящее время сталь является основным конструкционным материалом для изготовления деталей машин и технологического оборудования во всех отраслях промышленного производства. Для увеличения их срока службы используют разные способы повышения износостойкости стали.
Одним из перспективных подходов является применение ионной имплантации — метода, позволяющего модифицировать поверхностные слои сталей с существенным снижением их трения, повышением твердости, усталостной прочности и устойчивости к коррозии. Однако ее применение ограничивается относительно небольшой глубиной модифицированного слоя, что может оказаться недостаточным для критичных условий эксплуатации, предполагающих длительную устойчивость к механическим нагрузкам.
В своей работе ученые Томского политеха показали подход, обеспечивающий возможность формирования ионно-легированных слоев с толщинами от единиц до десятков микрометров.
Метод предполагает совмещение нескольких процессов, влияющих на микроструктуру и свойства материала. Наряду с импульсно-периодической высокоинтенсивной имплантацией ионов с энергией в диапазоне от 50 до 100 кэВ имеет место радиационно-стимулированная диффузия при плотности ионного тока порядка 1 А/см2, импульсный нагрев поверхности пучком высокой импульсной плотности мощности в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен кВт/см2, сверхбыстрое охлаждение приповерхностного слоя за счет отвода тепла с поверхности вглубь материала.
«Сверхбыстрое охлаждение решает проблему снижения температуры матричного материала при имплантации до уровня, при котором не происходит деградация его свойств. С другой стороны, сверхбыстрое охлаждение даже без ионного легирования может существенно повлиять на микроструктуру и эксплуатационные свойства материала за счет эффекта сверхзакалки», — рассказывает соавтор исследования, младший научный сотрудник научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Ольга Корнева.
Исследования показали, что энергетическое воздействие мощного импульсного пучка ионов титана субмиллисекундной длительности на поверхность стали марки AISI 420 привело к повышению износостойкости в 50 раз. В более ранних исследованиях ученые доказали, что в режиме высокоинтенсивной имплантации импульсно-периодическими пучками ионов азота субмиллисекундной длительности высокой плотности мощности износостойкость стали марки AISI 321 увеличивается в 3500 раз.
На следующих этапах исследования ученые продолжат изучать широкий ряд механических свойств ионно-легированных слоев, таких как микротвердость, износостойкость, коррозионная и усталостная прочности, включая определение коэффициента трения, механизмов износа и поведения поверхностей при контакте. Проведут анализ характера износа и основных причин и видов повреждений.
«Наша конечная цель — разработать технологию, которую можно будет внедрить на действующих промышленных предприятиях для повышения износостойкости, долговечности продукции, а также для создания новых или усовершенствованных видов продукции — деталей машин, инструментов, компонентов с повышенными эксплуатационными характеристиками», — резюмирует Ольга Корнева.
Источник информации и фото: пресс-служба Томского политехнического университета
