БЫСТРЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ОТЖИГ

На установке, созданной в Институте электрофизики УрО РАН, металлы и их сплавы подвергают облучению мощными пучками газовых и металлических ионов. В результате улучшаются электрические, магнитные, механические, трибологические (трение, износ) и другие свойства обрабатываемых материалов. Эффект снижения ваттных потерь (так определяют КПД приборов и автоматов) для магнитомягких материалов — полос трансформаторных сталей, а также нанокристаллических лент — составил от 5 до 35% на частотах от 50 до 10000 Гц.

— В ходе облучения ион, движущийся с огромной скоростью, в доли процента от скорости света, проникает в приповерхностный слой материала на несколько десятков нанометров, расталкивая окружающие атомы. От трех тысяч до 30 тысяч атомов, сконцентрированных в «атакованной» наноразмерной области, сталкиваются друг с другом, как бильярдные шары. Каскад атомных столкновений — область сверхбыстрого выделения энергии: с сопоставимой скоростью энергия выделяется при ядерном взрыве, — объясняет природу радиационно-динамического механизма профессор кафедры электрофизики УрФУ, главный научный сотрудник лаборатории пучковых воздействий Института электрофизики УрО РАН Владимир Овчинников.

За триллионную долю секунды область каскада разогревается до 5000–6000 °C, то есть почти до температуры поверхности Солнца. Стремительный разогрев и резкое расширение каскадных областей порождает обнаруженный в ходе исследований радиационно-динамический механизм перестройки метастабильных сред.

— Ударные, мощные упругие волны — так называемые посткаскадные волны сжатия — с давлением на их фронте от 5 до 40 гигапаскалей, подпитываясь энергией вызываемых превращений, распространяются вглубь кристаллической решетки. При этом происходит мгновенная перестройка метастабильных сред, которые исходно находятся в некоем промежуточном минимуме энергии. Они переходят в состояние с более низкой свободной энергией, которое приближается к равновесному. Примером может служить нанокристаллизация аморфных сплавов при температуре на 150–2000° C ниже температуры термической кристаллизации, — рассказывает Владимир Овчинников.

В исследованиях, описанных в «Surface and Coatings Technology», алюминиевый сплав системы Al-Li-Cu-Mg подвергался воздействию пучков ускоренных тяжелых ионов инертного газа аргона. Такие сплавы отличаются высокой прочностью и одновременно хорошей пластичностью, благодаря чему могут использоваться в аэрокосмической технике. А ведь даже длительный, в течение двух-шести часов, промежуточный отжиг в печи при 370–4000 °C, который сегодня применяют между операциями холодной прокатки высокопрочных алюминий-литиевых сплавов для их разупрочнения, часто оказывается неэффективным.

Технология и оборудование, разработанные физиками УрФУ и УрО РАН, позволяют успешно провести разупрочняющий отжиг и при этом сократить его длительность до нескольких секунд или десятков секунд при температуре, сниженной на 100–2000 °C, по сравнению с отжигом в печи. Например, радиационный отжиг алюминиевого сплава, описанный в статье в «Surface and Coatings Technology», занял при температуре 3300 °C менее 10 секунд. Это значительно экономит энергию и снижает трудоемкость процесса.

Технологией, созданной екатеринбургскими учеными, уже заинтересовались металлургические предприятия и крупные научно-технические центры России. Однако достигнутые результаты — не предел, считает Владимир Овчинников:

— Мы стремимся к тому, чтобы в результате нескольких минут обработки в вакуумной камере ионного имплантера получать материалы с совершенно другими, улучшенными свойствами. Принципиально возможен также непрерывный ввод в вакуум и вывод из него листовых и проволочных материалов.