Ученые Уральского федерального университета, Институтов электрофизики и физики металлов УрО РАН в сотрудничестве со специалистами Каменск-Уральского металлургического завода создали технологию, сокращающую процесс отжига металлов и сплавов в тысячу и больше раз. Статья о результатах конкретных экспериментов, в основе которых — данная технология быстрого радиационного отжига, опубликована в международном научном журнале Surface and Coatings Technology. Технология может быть полезна металлургам, в атомной и аэрокосмической областях.
Суть такова: 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. Так, эффект снижения ваттных потерь (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, испущенный ионным источником и 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 температуры 5000–6000 °C, что соответствует температуре 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 неком 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 Владимиром Овчинниковым и его коллегами в Surface and Coatings Technology, алюминиевый сплав системы Al-Li-Cu-Mg подвергался воздействию пучков ускоренных тяжелых ионов инертного газа аргона. Сплавы данного типа отличаются высокой прочностью и одновременно хорошей пластичностью. Благодаря этой особенности они используются в аэрокосмической технике. Вместе с тем даже длительный, в течение двух-шести часов, традиционный промежуточный отжиг в печи при 370–4000 °C, который 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, изученного в статье в Surface and Coatings Technology, занял при температуре 3300 °C менее 10 секунд. Это ведет к значительной экономии энергии и снижению трудоемкости процесса. Технологией, созданной екатеринбургскими учеными, уже заинтересовались металлургические предприятия и крупные научно-технические центры России.
«Достигнутые результаты — не предел. Мы стремимся к тому, чтобы в результате нескольких минут обработки в вакуумной камере ионного имплантера получать материалы с совершенно другими, улучшенными свойствами, — комментирует Владимир Овчинников. — Принципиально возможен непрерывный ввод в вакуум и вывод из него листовых и проволочных материалов».