Метод, обеспечивающий возможность глубокой ионной имплантации в металлы и сплавы за счет синергии высокоинтенсивной имплантации ионов и энергетического воздействия пучка высокой плотности мощности на поверхность материала, разработали и экспериментально проверили ученые Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета (ТПУ), 16 мая сообщает пресс-служба вуза.

До исследований томских политехников применение метода ионной имплантации с целью модификации свойств металлов и сплавов ограничивалось фундаментальной проблемой — малыми толщинами получающегося модифицированного слоя.

Ионная имплантация позволяет изменять элементный и фазовый составы, микроструктуру и эксплуатационные свойства различных материалов (полупроводников, металлов, диэлектриков) за счет внедрения в них различных элементов. Однако малая величина пробега ионов в твердом теле, из-за которой ионно-легированный слой получается слишком тонким, сдерживала практическое применение метода для улучшения эксплуатационных свойств металлов и сплавов.

Руководитель исследования, заведующий научной лабораторией высокоинтенсивной имплантации ионов ТПУ, профессор Александр Рябчиков пояснил стоявшую перед учеными задачу:

«Сегодня для улучшения свойств металлов и сплавов широко применяются методы ионно-плазменного осаждения покрытий. Однако этот метод, по сравнению с ионной имплантацией, имеет недостаток, связанный с проблемой адгезии покрытия к матричному материалу. Обычная ионная имплантация свободна от этого недостатка, но небольшой пробег ионов существенно ограничивает ее промышленное применение».

Чтобы добиться увеличения толщины покрытия при ионной имплантации, ученые ТПУ разработали новый метод, основанный на синергии высокоинтенсивной имплантации ионов и энергетического воздействия на поверхность модифицируемого материала импульсно-периодического пучка с высокой плотностью мощности при субмиллисекундной длительности.

Экспериментальную проверку нового метода исследователи провели на ускорителе «Радуга-5М», имплантируя ионы металлов в кремний, алюминий, сплав циркония и ниобия, нержавеющую сталь, титан, сталь 40Х и сталь 40Х13.

Чтобы выполнить такую имплантацию, им нужно было сначала впервые в мире добиться получения импульсно периодических пучков ионов металлов и газов с плотностью тока до нескольких ампер на квадратный сантиметр — при обычной имплантации ионов применялись токи на три порядка ниже.

Каким образом им удалось этого добиться, ученые ТПУ описали в статье «Особенности формирования и диагностики мощных пучков ионов металлов субмиллисекундной длительности», опубликованной в журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (Q1, IF: 1,4).

Результаты применения мощных пучков ионов показали, что даже при использовании ионов низкой энергии, но с высокой плотностью тока можно получить глубину ионно-легированного слоя в нескольких сотен микрометров.

Однако при этом возникала еще одна задача — сохранить при воздействии возникающих высоких температур микроструктуру и свойства во всем объеме материала, на котором формировалось покрытие.

«Именно здесь мы применили свой новый метод — объединить в один процесс высокоинтенсивную имплантацию ионов и импульсно-периодическое энергетическое воздействие самого пучка с высокой импульсной плотностью мощности при субмиллисекундной длительности на поверхность облучаемого материала», — рассказал Александр Рябчиков.

При этом, как показали исследования, воздействие таких пучков на поверхность в течение импульса приводит к ее разогреву, усиливается радиационная диффузия, что и позволяет создавать толщину ионно-легированного слоя в несколько микрометров.

Но по окончании импульса температура приповерхностного слоя резко падает за счет отвода тепла внутрь материала, и это даже способствует улучшению микроструктуры материала за счет эффекта сверхзакалки.

Результаты этих исследований были представлены учеными ТПУ в статьях «Исследование влияния мощного импульсного ионного пучка на титан, глубоко легированный алюминием» и «Влияние поверхностного напыления при высокоинтенсивной имплантации горячими ионами на глубокое легирование мартенситной нержавеющей стали», опубликованных в журналах Vacuum (Q1, IF: 4) и MDPI (Q1, IF: 2,9) соответственно.

«Уверен, — заключил ученый, — метод синергии открывает принципиально новые перспективы практического применения ионной имплантации для направленного улучшения микроструктуры и свойств различных материалов».