CC BY
38Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 678
ПОВЫШЕНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПОКРЫТИЯ ТИТАНА ОКСИДНЫМИ ПЛЕНКАМИ
Е. И. Абрамова, С. С. Ивасев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: abramovaelizaveta@mail.ru
Рассмотрена актуальность повышения коррозионной стойкости покрытия титана с помощью оксидных пленок. Анализируется метод микродугового оксидирования, проблемы внедрения гидроксиапатита в состав покрытия.
Ключевые слова: коррозионная стойкость, метод микродугового оксидирования.
IMPROVING THE CORROSION RESISTANCE OF TITANIUM OXIDE FILM COVERAGE
E. I. Abramova, S. S. Ivasev
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: abramovaelizaveta @mail.ru
The increase of corrosion resistance of the coating using titanium oxide films is significant. The research analyses micro-arc oxidation method, problems of implementation of the hydroxyapatite coating.
Keywords: corrosion resistance, method of micro-arc oxidation.
Состав и структура поверхности деталей машин и аппаратов определяют сопротивление твёрдого тела внешним химическим и механическим воздействиям, с экономической и технологической точек зрения целесообразно изменить характеристики рабочих поверхностей. Например, с помощью нанесения покрытий [1].
Одним из наиболее перспективных способов поверхностного упрочнения является метод микродугового оксидирования (МДО), который позволяет получать на деталях керамические покрытия, отличающиеся высокими изоляционными, механическими, электро- и теплофизическими характеристиками и эксплуатационными свойствами, что обусловило широкое использование этих покрытий в машиностроении, нефтегазодобывающей промышленности, на транспорте, в приборостроении, радиоэлектронике, авиационной, космической и других отраслях.
В машиностроении наиболее часто МДО-покры-тия наносятся на пары трения, подшипники скольжения, зубчатые передачи, поршни, цилиндры, торцевые уплотнения для двигателей внутреннего сгорания, станков и машин различного назначения в судостроении, авиационной промышленности, детали для сельскохозяйственной техники [2; 3] и др. Упрочнение деталей цилиндропоршневой группы дает повышение износостойкости в 10-15 раз, снижение механических затрат на 40-50 %, массы, материалоемкости и тепло-нагруженности, повышение КПД на 2-15 %.
Сущность МДО заключается в том, что под действием высокого напряжения, прикладываемого между находящейся в электролите деталью и электродом, на поверхности детали возникают мигрирующие точеч-
ные микродуговые разряды, под термическим, плаз-мохимическим и гидродинамическим воздействием которых поверхностный слой детали перерабатывается в керамическое покрытие, прочно сцепленное с основой [4].
Метод МДО позволяет получать покрытия, стойкие в атмосферных условиях и в различных коррозионных средах - химически агрессивных растворах, парах, морской воде и пр. Так как МДО-покрытие представляет собой керамику сложного состава, то коррозионная стойкость материала покрытия может быть достаточно велика. Защиту от коррозии металла-основы можно обеспечить толщиной покрытия и регулированием количества и строения пор. Дополнительную защиту придает пропитка пор инертным материалом (чаще всего фторопластом).
Однако существующие технологии нанесения зачастую не обеспечивают получение необходимого качества покрытий порошковых смесей из разнородных материалов [5; 6]. Отсутствие алгоритмов расчета подбора дисперсностей порошков (фракционного состава) и технологических режимов нанесения покрытия для равномерного распределения компонентов смеси в покрытии, а также сложность взаимодействия разнородных частиц в плазме микроразрядов сдерживают применение МДО-покрытий. Проблема повышения однородности распределения компонентов покрытий имеет большое значение во многих областях практического применения МДО технологии, включая изделия медицинского назначения (внутри-костные имплантаты). Имплантат (лат. in, im + plantare - сажать) - чужеродное тело, внедряемое в живой организм, выполняющее роль несъемного про-
Технология и мехатроника в машиностроении
теза, рассчитанное на долговременные циклические нагрузки [7]. Материалом основы чаще всего служат титан или нержавеющие стали; они обладают хорошей стабильностью и безопасны для живого организма, а защитную роль и биосовместимость выполняет гидроксиапатит (ГА), необходимый для быстрой и лучшей приживаемости как наиболее близкий по своему составу к минеральному компоненту костной ткани.
Применяемые в настоящее время составы керамик с ГА, используемые в имплантологии, обладают прекрасной биосовместимостью; способностью рассасываться в костной ткани, активно стимулируя при этом костеобразование. Поэтому приживляемость и биосовместимость имплантатов с костной тканью может быть достигнута комплексным решением проблемы внедрения ГА в состав покрытия имплантата.
Одним из факторов, сдерживающим применение гидроксиапатита (ГА) в качестве материала, ответственного за биосовместимость с костной тканью, является его дисперсность, что приводит к неравномерности формирования структуры покрытия, пористости, снижению прочности. Другой фактор - электрохимическая устойчивость материала покрытия импланта-тов, поскольку среда организма проявляет высокую коррозионную активность. К тому же существуют причины, ускоряющие коррозионный процесс. В случае дентальных имплантатов - это метаболизм бактерий в ротовой полости и присутствие фторидов, входящих в состав зубных паст. Кроме того, выделения производных ферментируемых карбогидратов, таких как молочная, уксусная и другие кислоты, и наличие следовых количеств фтористоводородной кислоты в ротовой полости может быть причиной разрушения оксидного слоя на поверхности титана.
Коррозионная устойчивость существенно зависит от состава электролита, который в случае титана определяет процессы их пассивации и депассивации. Для того чтобы исключить влияние этих процессов, были проведены исследования процесса активного растворения титана в водном растворе 10 % плавиковой и 10 % серной кислот при температурах в диапазоне 293-348 К. Коррозионные испытания по методикам [11] показали, что при травлении титана происходит его постепенное растворение с потерей массы на 12-й минуте травления до 15±3 % [8; 9].
Для защиты имплантата от коррозионно-активной биологической среды и для лучшей адаптации костных тканей к инородному телу оптимальным вариантом является создание гетерооксидных композиционных биоинертных (в случае присутствия в них полимера) или биоактивных (в случае присутствия в них гидроксиапатита, фосфатов, антибиотиков и т. д.) слоев на поверхности титана с использованием метода микродугового оксидирования. Как показали результаты экспериментов, этим методом удается получить защитные слои на поверхности материала, слабо поддающегося каким-либо другим электрохимическим способам обработки.
При обработке материала методом МДО в результате местного высокоэнергетического воздействия на поверхности изделий формируются слои, включаю-
щие в свой состав как элементы оксидируемого металла, так и элементы электролита. Свойства таких слоев отличаются от свойств обычных анодных оксидных пленок. Последующей обработкой поверхностной структуры (заполнением пор биоактивными и/ или биоинертными композитами) можно сформировать композиционное покрытие, имеющее перспективу практического использования в имплантационной хирургии [10].
Библиографические ссылки
1. Лазаренко Б. Р., Лазаренко Н. И. Электроискровая обработка токопроводящих материалов. М. : Изд. АН СССР, 1968. 182 с.
2. Белозеров В. В., Махатилова А. И., Реброва Е. М. Метод микродугового оксидирования и его перспективы // Штрипс. 2008. № 3. С. 30-32.
3. Плазменно-электролитическое модифициро-ванние поверхности металлов и сплавов : в 2 т. / И. В. Суминов, П. Н. Белкин, А. В. Эпельфельд и др. М. : Техносфера, 2011. Т. 2. 512 с.
4. Кузнецов Ю. А. Комбинированная технология получения керамических покрытий // Сварочное производство. 2005. № 6. С. 37-39.
5. Кулик А. Я., Борисов Ю. С., Мнухин A. C. и др. Газотермическое напыление композиционных материалов. Л. : Машиностроение, 1985. 197 с.
6. Иванов В. С. Композиционные антифрикционные материалы. М. : Наука, 1981. 248 с.
7. Лясников В. Н., Петров В. В., Атоян В. Р., Че-ботаревский Ю. В. Применение плазменного напыления в производстве имплантатов для стоматологии / под ред. В. Н. Лясникова. Саратов : Сарат. гос. техн. ун-та, 1993. 40 с.
8. Легостаева Е. В., Егоркин В. С., Синебрюхов С. Л., Ерошенко А. Ю., Лямина Г. В., Комарова Е. Г., Гне-денков С. В., Шаркеев Ю. П. Наноструктурированный титан: структура, механические и электрохимические свойства // Материаловедение. 2013. № 5.
9. Легостаева Е. В., Лямина Г. В., Комарова Е. Г., Фирхова Е. Б., Шаркеев Ю. П. Коррозионное поведение крупнокристаллического и наноструктурирован-ного титана в различных средах // Известия вузов. Физика. 2011. № 11/3, т. 54. С. 272-277.
10. Калганова С. Г., Лясников В. Н. Научные основы создания современных дентальных имплантатов с биоактивным покрытием // Новое в стоматологии. 1999. № 2. С. 12-14.
11. ГОСТ Р ИСО 10271-2014. Стоматология. Методы испытаний на коррозионную стойкость металлических материалов.
References
1. Lazarenko B. R., Lazarenko N. I. Spark erosion conductive materials. M. : AN SSSR, 1968. 182 pp.
2. Belozerov V. V., Mahatilova A. I., Rebrov E. M. The method of micro-arc oxidation and its prospects // Strips. 2008. № 3. S. 30-32.
3. Plasma electrolytic modified surface of metals and alloys : 2 m. / I. V. Suminov, P. N. Belkin, A. V. Epelfeld et al. M. : Technosphere, 2011. Vol. 2. 512 p.
Решетнееские чтения. 2015
4. Kuznetsov Y. A. Combined technology for producing ceramic coatings // Welding production. 2005. № 6. S. 37-39.
5. Kulik A. J., Borisov Y., Mnukhin A. C. et al. Gas thermal spraying composites. L. : Mechanical Engineering, 1985. 197 p.
6. Ivanov V. S. Composite antifriction materialy. M. : Science, 1981, 248 p.
7. Lyasnikov V. N., Petrov V. V., Atoyan V. R., Chebotarevsky Y. ; Ed. V. N. Lyasnikova. The use of plasma spraying in the production of implants for dentistry. Saratov : Sarat. state. tehn. Univ. 1993. 40 p.
8. Legostaeva E. V., Egorkin V. S., Sinebryukhov S. L., Eroshenko A. Y., Lyamina G. V., Komarov E. G. Gnedenkov S. V., Sharkeev Y. P. Nanostructured
titanium: structure, mechanical and electrochemical properties // Materials. 2013. № 5.
9. Legostaeva E. V., Lyamina G. V., Komarov E. G., Firhova E. B., Sharkeev Y. P. Corrosion behavior of coarse-grained and nanostructured titanium in a variety of environments // News Vuzov. Fizika. 2011. № 11/3. Tom 54. Р. 272-277.
10. Kalganova S. G., Lyasnikov V. N. Scientific basis for the creation of modern dental implants with a bioactive coating // New in dentistry. 1999. № 2. Р. 12-14.
11. GOST R ISO 10271-2014. Dentistry. Methods of testing on the corrosion resistance of metal materials.
© Абрамова Е. И., Ивасев С. С., 2015
УДК 678-465
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СОЗДАНИЯ ФОРМОСТАБИЛЬНЫХ РЕФЛЕКТОРОВ ЗЕРКАЛЬНЫХ НАЗЕМНЫХ АНТЕНН НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А. Ю. Власов, К. А. Пасечник, И. В. Обверткин, В. А. Мартынов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: forzaloko1@ya.ru
При проектировании прецизионных антенных устройств необходимо учитывать наличие НДС, возникающее в структуре материала, и компенсировать возникающие напряжение тщательным выбором используемых конструктивных материалов и схем армирования.
Ключевые слова: композитные материалы, НДС, рефлектор, формостабильные конструкции.
DEVELOPMENT OF THE METHODOLOGY FOR DESINING THE TERRESTIAL PARABOLIC ANTENNA'S DIMENSIONALLY STABLE REFLECTORS FROM POLYMERIC COMPOSITE
MATERIALS
A. Yu. Vlasov, K. A. Pasechnik, I. V. Obvertkin, V. A. Martynov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: forzaloko1@ya.ru
During the engineering of high precision antenna devices it is important to take into consideration SSB occurring in material structure and to offset voltage by accurate choice of structural material and reinforcement scheme being used.
Keywords: composite materials, stress-strain behavior, reflector, dimensionally stable design.
Введение. На сегодняшний день существует потребность в создании методики, позволяющей оценить и учесть внутренние явления, возникающие в структуре материала при взаимодействии компонентов в процессе производства размеростабильных и прецизионных изделий из полимерных композитных материалов.
Данная работа включает в себя расчет НДС, возникающего в процессе производства композитного материала. И так как рефлектор представляет собой тонкостенную конструкцию, допустимо рассматри-
вать только плосконапряженное состояние, а ПКМ -как трансверсально-изотропное тело. Для описания упругих свойств данной структуры необходимы 5 упругих постоянных [1-2], рассчитанных по обобщенным матрицам жесткости в зависимости от схемы армирования ПКМ.
В методике в качестве входных параметров используются упругие характеристики связующего и армирующего материала, толщина изделия, толщина монослоя, схема армирования и изменение температуры при производстве изделия из ПКМ.
