CC BY
66
УДК 548.73; 539.211
СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ НИКЕЛИДА ТИТАНА И ПОКРЫТИЙ ИЗ ТАНТАЛА, ПОЛУЧЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМИ СПОСОБАМИ ОСАЖДЕНИЯ
© Л.Л. Мейснер, А.И. Лотков, Е.Ю. Гудимова, М.Г. Остапенко
Ключевые слова: никелид титана; метод магнетронного осаждения; покрытия; а-Та; Р-Та; структурно-фазовые состояния; рентгеноструктурный анализ.
Проведены исследования структурно-фазовых состояний поверхностных слоев сплава ТІМ и покрытий из тантала в зависимости от параметров магнетронного осаждения.
В настоящее время никелид титана является широко востребованным материалом как в технике, так и в медицине [1]. При использовании сплавов на основе никелида титана в качестве материалов для изготовления сердечно-сосудистых имплантатов требуется повышение их коррозионной стойкости, рентгеноконтра-стности и вместе с тем сохранение фундаментальных свойств материала, таких как эффект памяти формы и сверхэластичность. Одним из способов решения данной задачи является создание тонких покрытий, обладающих высокими механическими характеристиками, однородных по химическому составу и равномерных по толщине. Подобные покрытия можно получить с использованием методов магнетронного осаждения [2].
Известно [3], что покрытия из тантала сравнительно малой (субмикронной) толщины заметно поглощают рентгеновское излучение, обладают свойствами рентгеноконтрастности и хорошей биосовместимостью. В работе [4] было показано, что в результате магнетронного осаждения тантала на поверхности материала, в зависимости от температуры подложки, давления осаждения, наличия примесей в камере формируется низкотемпературная Р-Та фаза с тетрагональной структурой или высокотемпературная а-Та фаза с ОЦК структурой. Следует учитывать, что нанесение покрытий на поверхность никелида титана может существенно повлиять на его объемные свойства и привести к заметному ухудшению функциональных свойств в результате изменения структурно-фазовых состояний в поверхностной модифицированной части материала.
Целью данной работы является исследование изменения структурно-фазовых состояний покрытий из тантала и поверхностных слоев никелида титана в зависимости от параметров магнетронного осаждения.
Материалом-основой для осаждения покрытий является сплав на основе никелида титана (далее - образцы ТІ№), характеризующийся двухфазным состоянием из основной фазы со структурой В2 (ОЦК, упорядоченная по типу CsQ, параметр решетки ав2= 3,018 ± 0,0005 А соответствует составу Ті49>5№50>5) и небольшого количества (<5 % об.) фазы Ті2№.
Образцы для исследований были разделены на 2 группы. На поверхность каждого образца методом магнетронного осаждения были нанесены однокомпо-
нентные покрытия с использованием мишени из тантала при разных условиях осаждения. Магнетронное осаждение покрытий на поверхность образцов TiNi проводили в РИТЦ (ИФПМ СО РАН, г. Томск) и в ИСЭ СО РАН (г. Томск). Перед нанесением покрытий подложку-держатель, на которой были закреплены образцы из первой группы (ТаШ№ - № 1), нагревали до температуры Т = 473 К, а подложка-держатель с образцами из второй группы (Та/Т£№ - № 2) не подвергалась дополнительному нагреву. Затем заполняли камеру Аг под давлением РА = 0,3 Па и выполняли процедуру осаждения Та на поверхность образца при следующих режимах: ток катода (Та) I = 2,5 А, напряжение и = 270 В, разность потенциалов между образцом и мишенью и = 0 В. Толщину осаждаемого слоя контролировали по скорости осаждения. Скорость роста осаждаемого слоя составляла V = 10 мкм/ч. Образцы находились в неподвижном состоянии.
Рентгеноструктурные исследования структурнофазовых состояний, образующихся в покрытиях из Та, промежуточных и примыкающих к ним наружных слою материала-основы из сплава TiNi, проводили при комнатной температуре на дифрактометре ДРОН-7 по симметричным и асимметричным схемам съемок с углами скольжения а = 3°, 6°, 12° с использованием Со Ка-излучения (для отсечения Р-излучения использовали Fe-фильтр) [5].
Методами рентгеноструктурного анализа был проведен качественный фазовый анализ. Установлено, что на всех рентгенограммах независимо от условий осаждений присутствуют дифракционные рефлексы фаз В2, Т12№ материала-основы и фаз а-Та и Р-Та материала покрытий (рис. 1). Выявлено, что на рентгенограммах образцов из первой группы (рис. 1б, 1д) наблюдаются в основном рефлексы фазы а-Та и небольшое количество фазы Р-Та, а на рентгенограммах образцов из второй группы преимущественно рефлексы фазы Р-Та (рис. 1в, 1е). Таким образом, материал покрытий из тантала в обоих случаях является, как минимум, двухфазным.
Из анализа рентгенограмм, полученных по асимметричным схемам съемки, выявлено, что при уменьшении углов скольжения а (уменьшении толщины анализируемого слоя) не наблюдается перераспределение
1827
a- !3('l IU) д)
У ч
44 45
2®, Градус
2©
Рис. 1. Фрагменты рентгенограмм, полученные для образцов Та/Т№ - №2 1 (б, д), Та/Т№ - №2 2 (в, е), и штрих-диаграммы фаз аТа (а) и р-Та. Симметричная схема съемки, СоКа-излучение
5UUU
4000
3000
2000
1000
41
B
интенсивностей рефлексов фаз а-Та и Р-Та. Поэтому можно говорить о равномерном распределении фаз по всей толщине покрытий.
Установлено, что во всех образцах первой и второй группы области когерентного рассеяния (ОКР) для а-Та и Р-Та фаз не превышают 50 нм, а для фазы В2 материала-основы изменений ОКР не наблюдается относительно ее исходного состояния (ОКР > 100 нм).
Прецизионное измерение параметров решетки фазы В2 в образцах с покрытиями из первой группы выявило, что в результате осаждения покрытий из тантала параметр решетки аВ2 = 3,01315 ± 0,0005 А уменьшился относительно значения в образцах без покрытий, а в образцах из второй группы параметр решетки аВ2 = 3,0179±0,0005 А практически равен исходному значению. Для анализа структурного состояния фазы а-Та в качестве эталонного значения параметра решетки этой
фазы было взято значение а°_Та = 3,3058±0,0005 А [4]. Значения параметра решетки фазы а-Та, полученные по симметричной схеме съемок, составляют
аа_Та = 3,3543 ±0,0005 А в образце из первой группы и аО°_та = 3,329 ± 0,0005 А в образце из второй, что соизмеримо с эталонным значением.
Таким образом, показано, что в результате магнетронного осаждения тантала на поверхность сплава К№ формируются наноструктурные двухфазные (а-Та + Р-Та) покрытия, которые не вносят существенных изменений в структурно-фазовые состояния в областях материала-основы, примыкающих к покрытиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корнилов И.И., Белоусов О.К., Качур Е.В. Никелид титана и другие сплавы с эффектом «памяти». М.: Наука, 1977. 180 с.
2. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982. 72 с.
3. Cheng Y., Cai W., Li H.T., Zeng Y.F. Surface modification of NiTi alloy with tantalum to improve its biocompatibility and radiopacity // J. Mater. Sci. 200б. Р. 4961-4964.
4. Lee S.L., Doxbeck M., Mueller J., Cipollo M., Cote P. Texture, structure and phase transformation in sputter beta tantalum coating // Surface and Coatings Technology. 2004. Р. 44-51.
5. Мейснер Л.Л., Лотков А.И., Нейман А.А., Мейснер С.Н., Дементьева М.Г., Прозорова Г.В. Структура поверхностных слоев и свойства никелида титана с покрытиями из молибдена и тантала // Материаловедения. 2009. № 12. С. 29-40.
БЛАГОДАРНОСТИ:
1. Исследования проведены с использованием оборудования ЦКП «НАНОТЕХ», г. Томск, Россия.
2. За помощь в организации и проведение работ по магнетронному осаждению покрытий авторы выражают благодарность директору ЦКП ТНЦ СО РАН, д.т.н. Н.С. Сочугову и м.н.с., к.т.н. А.А. Соловьеву, а также зам. директора по НР ИФПМ СО РАН, д.т.н. В.П. Сергееву.
3. Исследования структурно-фазовых состояний исходных материалов проведены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (государственный контракт № 16-522-11-2019-2), исследование материалов после осаждения покрытия из тантала выполнены в рамках проекта СО РАН III.23.2.1.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Meisner L.L., Lotkov A.I., Gudimova E.Y., Ostapenko M.G. STRUCTURAL-PHASE STATES OF TiNi SURFACE LAYERS AND TANTALUM COATINGS OBTAINED MAGNETRON DEPOSITION METHOD
The effect of sputtering conditions research on structural-phase states of TiNi surface layers and tantalum coatings is held.
Key words: nickel titanium; magnetron sputtering deposition; coating; a-Ta; P-Ta; structural-phase states; X-ray diffraction analysis.
1828
