Морфология поверхности титана, модифицированной импульсной лазерной обработкой

УДК 621.785.545

С.В. Телегин, В.Н. Лясников, И.Ю. Гоц

МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА, МОДИФИЦИРОВАННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Проведены исследования морфологии поверхности титанового сплава ВТ1-00 после импульсной лазерной обработки. Установлено влияние режимов обработки на показатели морфологической гетерогенности поверхности.

Функциональные покрытия, лазерная обработка, модификация титана S.V. Telegin, V.N. Lyasnikov, I.Y. Gots

MORPHOLOGY OF THE TITANIUM SURFACE MODIFIED BY PULSED LASER PROCESSING

The paper presents the analysis relating the morphology of the alloy titanium VT1-00 surface after pulsed laser processing. The influence of the treatment modes on the indicators of morphological heterogeneity of the surface has been determined.

Functional coating, laser treatment, modification of titanium

Современные тенденции развития имплантологии требуют применения материалов, способствующих ускорению процессов остеоинтеграции, обусловленных макро- и микрорельефом поверхности им-плантатов, стабилизированным химическим составом и фазово-структурным состоянием. Используемые при изготовлении имплантатов материалы должны обладать необходимыми биологическими, физико-химическими, физико-механическими и функциональными свойствами. К таким материалам относятся титан и его сплавы. Наряду с этим титановый сплав марки ВТ1-00 ГОСТ 19807-91 не удовлетворяет в полном объеме этим критериям. Особенно остро стоит проблема придания требуемой морфологии поверхности и повышения физико-механических свойств. Морфология влияет на функциональную активность клеток. Они должны прикрепляться к субстрату, чтобы формировать свой внеклеточный матрикс [1]. Разрешение данной проблемы возможно при использовании различных способов получения функциональных покрытий: газотермическое электроплазменное напыление, микродуговое и прочие методы оксидирования [2-4]. Самым распространенным методом получения покрытий имплантатов является электроплазменное напыление, в свою очередь, имеющее ряд недостатков, связанных с высокими остаточными напряжениями, трещинообразованием и низкой адгезией. Эти проблемы устраняют нанесением промежуточного подслоя титана и последующей термообработкой [5].

Прочная металлическая основа изделий медицинской техники, в частности внутрикостных имплантатов, требует создания биосовместимого интерфейса при взаимодействии между поверхностью внутрикостной конструкции из металла и костной тканью. Поверхность покрытий должна быть сопоставима с морфологией костной ткани для наилучшего взаимодействия между ними [6-8].

В данной работе предлагается использование теплофизического воздействия импульсного лазерного излучения на обрабатываемую поверхность, что позволит придать необходимую морфологию поверхности и повысить физико-механические свойства. Использование данного вида обработки, основанного на локальном нагреве участка поверхности и скоростном охлаждении, является перспективным направлением в области модификации поверхности в машино-, приборостроении и медицине для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя титана.

В связи с этим актуальным является изучение закономерностей взаимодействия импульсного лазерного излучения с поверхностью металлической основы, способствующего улучшению физико-механических свойств поверхности титана за счет ее модификации, определение оптимальных режимов обработки для контролируемого макро-, микро- и наноструктурирования поверхностей материалов при модификации поверхности с образованием функциональных пленок и покрытий с учетом исходных свойств и качества поверхности облучаемого материала, используемого при изготовлении имплантатов.

Образцами для исследования служили пластины размерами 6*6*1 мм, изготовленные из титанового сплава марки ВТ1-00 ГОСТ 19807-91. Подготовка образцов для исследования осуществлялась путем струйно-абразивной обработки, последующей промывки в дистиллированной воде или растворе этилового спирта в ультразвуковой ванне УЗВ2-0,16/37. Далее образцы подвергались импульсной лазерной обработке (ИЛО) на №:УАО-лазерном технологическом комплексе ЬЯ5-50 с длиной волны 1,064 мкм. В ходе предварительно проведенного эксперимента были определены диапазоны варьирования технологических параметров ИЛО, при использовании которых происходит изменение морфологии поверхностного слоя и физико-механических характеристик металлической основы сформированной ИЛО (таблица).

Варьирование технологических параметров ИЛО

Параметр Диапазон

Напряжение лампы накачки и, В от 310 до 400

Длительность импульса т, мс от 3,3 до 8,0

Частота следования импульсов I1, Гц от 1 до 2

Число импульсов в пятне облучения, шт. от 2 до 5

Основным физическим процессом лазерной модификации поверхности титановой основы является ее нагрев, величина которого непосредственно зависит от подводимой энергии излучения, характеризуемой плотностью энергии, изменение которой осуществляется напряжением на лампе накачки, длительностью и частотой следования импульсов. Измерение и контроль плотности энергии лазерного излучения осуществлялись с помощью специального измерителя Laserstar Orphi. Плотность энергии лазерного излучения Q на поверхности образцов при различных режимах изменялась от 0,32* 107 до 3,03 *107 Дж/м2.

Другим важным технологическим параметром при ИЛО является число импульсов в пятне облучения. При использовании более 5 импульсов происходило увеличение зоны термического воздействия в горизонтальной плоскости с одновременным разрушением центральной зоны воздействия ИЛО. Это объясняется тем, что с увеличением числа импульсов происходит увеличение температурного воздей-

ствия, и вследствие низкой интенсивности распределения теплоты в объем материала происходит разрушение поверхностного слоя.

Для определения влияния режимов ИЛО на морфологию поверхностного слоя проводились комплексные исследования характеристик формируемой поверхности.

Исследование морфологии поверхности, структуры поверхностного слоя образцов осуществлялось методами оптической микроскопии (металлографические микроскопы МИМ-8М и МБС-10), профилометрии (профилометр 107622), а также анализа изображений микроструктур с помощью комплекса АГПМ-6М. Для исследования структуры и глубины залегания модифицированного слоя титановой основы изготавливались микрошлифы в поперечном сечении.

Известно, что эксплуатационные характеристики покрытий изделий медицинского назначения напрямую зависят не только от химического состава, но и от морфологии, поэтому важным является исследование структуры покрытия, в частности морфологии его поверхности [5].

Морфологическая гетерогенность структуры покрытия зависит от режимов ИЛО и характеризуется количеством элементов поверхности в поле зрения микроскопа (выступы, углубления и поры), их распределением по линейным размерам (среднему диаметру) и параметрами шероховатости микрорельефа (Иа, Я^, Яшах, ГОСТ 2789-73).

Сравнительный анализ изображений оптической микроскопии показал, что на морфологию модифицированного поверхностного слоя существенное влияние оказывают все рассмотренные параметры технологического процесса (рис. 1).

Рис. 1. Оптическая микроскопия и анализ изображений поверхностей, подвергнутых ИЛО: а) и=400 В, т=8 мс, Г=1 Гц, N=5, 0=3,03х107 Дж/м2; б) и=400 В, т=3,3 мс, Г=1 Гц, N=5, 0=1,62*107 Дж/м2

Графики распределения частиц по размерам получены с помощью программы Металлограф комплекса АГПМ- 6М в ходе анализа изображений оптической микроскопии поверхности образцов. По оси абсцисс отложен размер частиц, а по оси ординат - их процентное содержание в поверхностном слое. При значении плотности энергии 1,62* 107 Дж/м2 в поверхностном слое преобладают частицы со средним размером 0,72 мкм, а при плотности энергии 3,03*107 Дж/м2 средний размер частиц достигает 0,92 мкм.

При низких значения плотности энергии от 0,32* 107 до 0,86* 107 Дж/м2 появляется большее количество элементов на поверхности, что объясняется низкоэнергетическим воздействием, которое не приводит к плавлению поверхности и, как следствие, перекристаллизации поверхностного слоя. При этом происходит рост тонкой биокерамической кислородсодержащей пленки ТЮ2, которая не приводит к изменению морфологии поверхности.

С увеличением плотности энергии свыше 1,21* 107 Дж/м2 происходит оплавление поверхности с дальнейшей перекристаллизацией модифицированного слоя, приводящей к увеличению основных характеристик морфологии гетерогенности поверхности, таких параметров как шероховатость, открытая пористость до значения 50-55%, что оказывает влияние на качество процессов остеоинтеграции [6].

Основные параметры шероховатости поверхности образца при плотности энергии 3,03*107 Дж/м2 имеют значение Яа= 2,21 мкм, = 15,4 мкм, Яшах = 18,7 мкм и = 58,8 мкм (рис. 1а). В этом случае поверхность состоит из более крупных элементов, на которых располагаются более мелкие частицы. Поверхностный слой характеризуется большей равномерностью морфологии по относительному критерию К^/Ятах, равному 0,82. Среднее значение К^/Яшах по всем образцам составляет около 0,79. На основе анализа микроструктуры образцов после ИЛО можно сделать вывод, что модификация поверхности с оплавлением позволяет существенно увеличить глубину модифицированного слоя, а при наличии фазово-структурных изменений и степень упрочнения (рис. 2). Толщина образованного кислородсодержащего слоя при ИЛО составляет 93±5 мкм.

а

б

в

Рис. 2. Микрошлиф модифицированного образца при плотности энергии 3,03*107 Дж/м2: а) эпоксидная смола; б) модифицированный слой; в) исходная структура титанового сплава ВТ1-00

При анализе фотографий микрошлифов наблюдается изменение структуры в модифицированном слое (рис. 3б) по сравнению с исходной структурой титановой основы (рис. 3а). Можно выделить ряд характерных особенностей воздействия ИЛО: четко выявляется структура модифицированного слоя, образуемого при расплавлении лазерным излучением и его последующей кристаллизации; также хорошо видны выходы дендритов на поверхность образца (рис. 3б) - различие в их формах и размерах объясняется разным направлением теплоотвода при кристаллизации расплавленной ванны; дендриты первого порядка растут перпендикулярно поверхности теплоотвода, например, в зоне прямого воздействия лазерного излучения они растут под углом к границе зоны теплофизического воздействия, имеющей сферическую форму.

а б

Рис. 3. Микроструктура титанового сплава ВТ1-00 в исходном состоянии

Характерной особенностью структурных превращений титана и его сплавов при обычной термической обработке является интенсивный рост зерен при температуре выше а-Р-перехода [10]. Установлено, что при ИЛО происходит уменьшение зерна в модифицированном слое, чем достигается мелкозернистая структура (рис. 4б). Это объясняется мартенситным превращением в титане, что является причиной упрочнения титана при лазерном воздействии.

Рис. 4. Микрошлиф модифицированного образца при плотности энергии 1,62*107 Дж/м2: а - эпоксидная смола; б - модифицированный слой; в) исходная структура титанового сплава ВТ1-00

Анализ модифицированных образцов показал зависимость морфологии поверхностного слоя от режимов технологического процесса модификации с помощью ИЛО. Изменение параметров технологического процесса ИЛО, таких как напряжения накачки лампы, длительность и частота следования импульсов, а также число импульсов в пятне облучения, позволяет регулировать тепловое воздействие, влияющее на формирование субмикрометровых показателей биокерамической пленки покрытия. Установлена возможность изменять морфологию поверхности под конкретно поставленную задачу.

С увеличением плотности энергии свыше 1,21*107 Дж/м2 происходит оплавление поверхности с дальнейшей перекристаллизацией модифицированного слоя, что приводит к увеличению основных характеристик морфологической гетерогенности поверхности, что оказывает влияние на качество остеоинтеграции за счет управления параметрами макро- и микрорельефа поверхности имплантатов. Модификация поверхности с оплавлением позволяет существенно увеличить глубину модифицированного слоя, а при наличии фазово-структурных изменений обеспечить 3...5-кратное упрочнение исходной титановой основы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Biomimetic nanocomposites for bone graft applications / C.K. Chan, T.S.S. Kumar, Liao S., et al. // Nanomedicine. 2006. V. 1. P. 177-188.

2. Лясников В.Н., Протасова Н.В., Толмачёв К.С. Плазмонапылённые материалы и покрытия. Свойства, технология, оборудование и применение, учеб. пособие. Саратов: СГТУ, 2012. 489 с.

3. Nanocrystalline Structure of the Surface Layer of Plasma-Sprayed Hydroxyapatite Coatings Obtained upon Preliminary Induction Heat Treatment of Metal Base / A.A. Fomin, А.В. Steinhauer, V.N. Lyas-nikov, S B. Wenig, A.M. Zakharevich // Technical Physics Letters. 2012. Vol. 38. № 5. P. 481-483.

4. 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. 18-23.

5. Митрофанов А.А., Чащин Е.А., Балашова С.А. Обработка газотермических покрытий с использованием лазерного излучения // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2011.№ 1.С. 103-105.

6. Цыганков А.И. Состояние и развитие современных технологий обработки поверхности дентальных имплантатов // Вестник Пензенского государственного университета. 2013. № 2. С. 112-117.

7. Плазменное напыление покрытий имплантатов с дополнительным воздействием лазерным излучением / С.В. Телегин, В.Н. Лясников, А.А. Фомин и др. // Сборник научных трудов II Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2012. С. 74-76.

8. Стоматологические имплантаты. Исследование, разработка, производство, клиническое применение / А.В. Лясникова, А.В. Лепилин, Н.В. Бекренев, Д.С. Дмитриенко. Саратов: СГТУ, 2006. 254 с.

9. Лясников В.Н., Протасова Н.В. Плазменное напыление в электронике и биомедицинской технике: учеб. пособие для студ. физ.-техн. спец. Саратов: СГТУ, 2010. 285 с.

10. Морозова Е.А. Структура и свойства титана и его сплавов при лазерном легировании: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук: 01.04.07. Самара: Самар. политехн. ин-т им. В.В. Куйбышева, 1992. 21 с.

Телегин Сергей Владимирович -

ассистент кафедры «Физическое материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Лясников Владимир Николаевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Физическое материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Гоц Ирина Юрьевна -

кандидат химических наук, доцент кафедры «Физическое материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Sergey V. Telegin -

Assistant Lecturer

Department of Physical materials science

and biomedical engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Vladimir N. Lyasnikov -

Dr. Sc., Professor

Department of Physical material science

and biomedical engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Irina Yu. Gots -

Ph. D., Associate Professor

Department of Physical Material Science

and Biomedical Engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 15.06.15, принята к опубликованию 15.09.15