CC BY
21
ФАЗОВО-СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ И ФИЗИКО-
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ16, ПОДВЕРГНУТОГО ОБРАБОТКЕ ТОКАМИ
ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ Фомина Марина Алексеевна, студ.1, Щелкунов Андрей Юрьевич, студ.1, Кошуро Владимир Александрович, к.т.н., асс.1,
Пошивалова Елена Юрьевна, к.т.н., доц.1, Родионов Игорь Владимирович, д.т.н., проф.1, Захаревич Андрей Михайлович, к.ф.-м.н., зав. лаб. , Скапцов Александр Александрович, к.ф.-м.н., доц. , Фомин Александр Александрович, к.т.н., доц.1 1 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия 2 Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Россия
Научные исследования проведены при финансовой поддержке гранта РФФИ № 13-03-00898 «а», стипендии Президента РФ № СП-617.2015.4, гранта Президента РФ № МД-3156.2015.8, а также проекта № 1189 в рамках базовой части государственного задания образовательным организациям высшего образования, подведомственным Минобрнауки РФ, в сфере научной деятельности.
В работе исследованы характеристики микро- и наноструктуры оксидных биосовместимых покрытий, полученных на поверхности титанового сплава ВТ16 при воздействии токов высокой частоты (ТВЧ). Установлено, что применение термообработки ТВЧ малогабаритных металлоконструкций обеспечивает получение необходимых параметров структуры покрытий, а также позволяет повысить твердость.
Металлические материалы, используемые в имплантологии и эндопротезировании, представлены различными металлами, например титаном, и их биосовместимыми высокопрочными сплавами ВТ6, ВТ 16 и др. [1-3]. Современные чрескостные имплантаты кратковременного функционирования, например остеофиксирующие винты и пластины, стоматологические имплантаты представляют собой металлическую малогабаритную конструкцию (ММК) с биосовместимым покрытием [3]. Высокие биофункциональные нагрузки, действующие на основу имплантата и окружающие биоткани, должны рассматриваться в едином комплексе [4]. Поверхность имплантата при этих условиях подвергается интенсивному трению и износу [5]. Широкое распространение получили различные методы упрочнения поверхности металлов, основными из которых являются газотермические, химические, электрохимические и электрофизические [8, 9]. Основными недостатками данных методов
являются значительная энергоемкость и необходимость использования специальных реакционных сред. Можно получить упрочненный пористый микро- и наноструктурированный материал при использовании комбинации ряда процессов, включающих термическую активацию и напыление [10, 11]. Целью данной работы является изучение влияния режимов обработки токами высокой частоты (ТВЧ) титанового сплава ВТ 16 на фазово-структурное состояние и физико-механические свойства получаемых оксидных покрытий на поверхности имплантационных конструкций [12-16].
Экспериментальные образцы имплантатов представляют собой цилиндры из титанового сплава ВТ16. Их поверхность подвергается формообразующей механической обработке, включающей абразивно-струйную обработку электрокорундом и химическое травление в растворе плавиковой и азотной кислот. Полученные металлические основы образцов также подвергаются очистке в водных растворах ПАВ и спирте. Далее поверхность подготовленных образцов оксидируется на воздухе [5, 6, 12-16]. В ходе исследований устанавливалось влияние обработки ТВЧ в диапазоне температуры 600... 1200 °С на фазово-структурные изменения, происходящие на поверхности при образовании покрытий. Режимам обработки экспериментальных образцов покрытий присвоена двойная нумерация: первое число соответствует температуре металлической основы (600 - 600 °С, ..., 1200 - 1200 °С), второе -продолжительности процесса термообработки, отсчитываемой в секундах.
Фазово-структурное состояние поверхности образцов после ИТО изучалось с применением рентгенофазового анализа (РФА). Морфология покрытий исследовалась растровой электронной микроскопии (РЭМ) в микро- и нанометровом масштабе для выявления закономерностей структурообразования. Физико-механические свойства, в частности твердость и модуль упругости, оксидных покрытий оценивались методами наноиндентирования.
На поверхности титанового сплава ВТ 16 при ИТО формируются оксидные покрытия [5, 12, 15]. Фазовый состав поверхности представлен диоксидом титана ТЮ2, находящимся в виде рутила, и титаном различного типа кристаллической структуры (рис. 1).
Структура оксидных покрытий обусловлена процессами интенсивного окисления металлической основы ММК при воздействии ТВЧ (рис. 2, а; 2, б). Форма кристаллов рутила зависит преимущественно от температуры, так при 600 °С образуются округлые зерна, равномерно покрывающие микрорельеф основы. С увеличением температуры до 800 °С и продолжительности свыше 120 секунд размер кристаллов увеличивается (рис. 2, в). При температуре, равной 1000 °С, величина кристаллов оксидного покрытия достигает 200.250 нм (рис. 2, г). Увеличение продолжительности свыше 5. 10 секунд приводит к интенсивному разрушению образованного слоя и самопроизвольному его отделению от поверхности. При температуре 1200 °С происходит интенсивный рост
подслоя, что приводит к его повторному отделению.
• — а - Т1
■ - р - Л
° — ТЮ2 (рутил)
ВТ16 (м.о.)
ВТ16 800-120
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
2©
Рис. 1. Типовые дифрактограммы образцов из сплава ВТ16 до (верхний спектр) и после (нижний спектр) оксидирования
Рис. 2. Морфология поверхности титанового сплава ВТ16 в микро- (а, б) и нанометровом масштабе (в, г): а, в - после травления и ИТО 800-120; б, г -
после травления и ИТО 1000-120
Поверхностный слой образцов ММК характеризуются определенными физико-механическими свойствами, в частности твердостью и модулем упругости, выявленными при наноиндентировании (табл. 1).
Таблица 1. Физико-механические свойства оксидных покрытий
Образец Твердость, ГПа Модуль упругости, ГПа
ВТ16 2,9...4,1 238.294
ВТ16 1200-120 подслой 3,6...4,0 86.95
ВТ16 1000-030 подслой 5,0.5,5 194.195
ВТ16 800-120 4,2.5,6 109.153
Структура поверхности титанового сплава ВТ 16 после обработки ТВЧ характеризуется образованием покрытия диоксида титана с высокими показателями морфологической гетерогенности микроструктуры, однородности наноструктуры и твердости. Наилучшие показатели морфологии в сочетании с высокой твердостью достигаются при температуре от 800 до 1000 °С при продолжительности обработки ТВЧ от 30 до 300 сек.
Список литературы
1. Heimann R.B.. Materials Science of Crystalline Bioceramics: A Review of Basic Properties and Applications // CMU Journal, 2002. - Vol. 1(1). - pp. 23-46.
2. Niinomi M. Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods // Science and Technology of Advanced Materials, 2003. -№ 4. - pp. 445-454.
3. Paital S.R., Dahotre N.B. Calcium phosphate coatings for bio-implant applications: Materials, performance factors, and methodologies // Materials science and engineering R, 2009. - № 66. - pp. 1-70.
4. Экспериментальное исследование процессов остеоинтеграции имплантатов для наружного чрескостного остеосинтеза с различными биокомпозиционными покрытиями / Бейдик О.В., Бутовский К.Г. и др. // Гений ортопедии, 2002. - № 4. - С. 80-88.
5. Свойства покрытий диоксида титана, полученных индукционно-термическим оксидированием сплава ВТ1-00 / Фомин А.А., Штейнгауэр А.Б., Родионов И.В. и др. // Трение и износ, 2014. - Т. 35. - № 1. - С. 43-51.
6. Повышение биосовместимости покрытий диоксида титана, полученных индукци-онно-термическим оксидированием медицинского титана / Штейнгауэр А. Б., Фомин А.А., Родионов И.В. и др. // Медицинская физика, 2013. - № 4 (60). - С. 83-88.
7. Catledge S.A., Fries M., Vohra Y.K. Nanostructured surface modifications for biomedical implants // Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology, 2004. - № 1. - pp. 741-762.
8. Rodionov I.V. Application of the Air-Thermal Oxidation Technology for Producing Biocompatible oxide coatings on periosteal osteofixation devices from stainless steel // Inorganic materials: Applied research, 2013. - № 2 (4). - pp. 119-126.
9. Кошуро В.А., Нечаев Г.Г., Лясникова А.В. Влияние плазменных процессов формирования покрытий на механические характеристики изделий из титановых сплавов // Упрочняющие технологии и покрытия, 2013. - № 10 (106). - С. 18-22.
10. Нанокристаллическая структура поверхностного слоя гидроксиапатитовых покрытий, сформированных при плазменном напылении с предварительной индукционно-термической обработкой металлической основы / Фомин А.А., Штейнгауэр А.Б. и др. // Письма в Журнал технической физики, 2012. - Т. 38. - Вып. 10. - С. 64-69.
11. Фомин А.А., Штейнгауэр А.Б., Лясников В.Н. Биосовместимые наноструктурированные гидроксиапатитовые покрытия и технология их получения плазменно-индукционным напылением // Упрочняющие технологии и покрытия, 2011. - № 6. - С. 35-42.
12. Наноструктура покрытий из диоксида титана, модифицированного гидроксиапатитом, на медицинских титановых имплантатах / Фомин А. А., Штейнгауэр А.Б., Родионов И.В. и др. // Медицинская техника, 2013. - № 3. - С. 24-27.
13. Оборудование для индукционно-термической обработки малогабаритных металлических изделий / Фомин А.А., Штейнгауэр А.Б., Родионов И.В. и др. // Индукционный нагрев, 2013. - № 2 (24). - С. 44-47.
14. Нанокристаллическая структура поверхностного слоя технически чистого титана, подвергнутого индукционно-термическому оксидированию / Фомин А.А., Штейнгауэр А.Б., Родионов И.В. и др. // Письма в Журнал технической физики, 2013. - Т. 39. - Вып. 21. С. 70-75.
15. Structure of Composite Biocompatible Titania Coatings Modified with Hydroxyapatite Nanoparticles / Fomin A.A., Rodionov I.V., Steinhauer A.B. et al. // Advanced Materials Research, 2013. - Vol. 787. - pp. 376-381.
16. Nanostructure of biocompatible titania/hydroxyapatite coatings / Fomin A.A., Rodionov I.V., Steinhauer A.B. et al. // Proceedings of SPIE, 2014. - Vol. 9031. - pp. 90310H.
