Электроплазменное напыление функциональных наноструктурированных покрытий в электронике и медицине

УДК 621.793

В.Н. Лясников, М.С. Гавкина, Н.В. Протасова

ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ В ЭЛЕКТРОНИКЕ И МЕДИЦИНЕ

Приведены результаты исследования титановых пластин после дробеструйной обработки на которые наносились покрытия из титана, оксида алюминия, гидроксиапатита. Выполнены аналогичные исследования влияния воздействия ультразвукового излучения, лазерного и ионного облучения на структурно-морфологические характеристики плазмонапыленных покрытий.

Электроплазменное напыление, гидроксиапатит, ультразвуковое излучение V.N. Lyasnikov, M.S. Gavkina, N.V. Protasova

ELECROLYTIC PLASMA SPRAYING TECHNOLOGY FOR NANOSTRUCTURED COATING DEPOSITION APPLIED IN ELECTRONICS AND MEDICINE

The paper provides the research results to titanium plates after the shot peening treatment procedure to be coated in titanium, alumina, hydroxyapatite. A similar research relates the impact of exposure to ultrasonic radiation, laser and ion irradiation on the structural and morphological characteristics of plasma spray coatings.

Elektroplazmennoe spraying, hydroxyapatite, ultrasonic radiation

Введение

Электроплазменное напыление различного рода функциональных пористо-порошковых покрытий в последнее время находит широкое применение в приборо- и машиностроении, электронике и медицине [1-4]. Так, в производстве изделий электронной техники используют плазмонапылённые эмиссионные и антиэмиссионные покрытия, электроизоляционные, геттерные и другие покрытия [3, 5, 6].

В медицине благодаря объединению усилий инженеров-конструкторов, материаловедов, биофизиков, технологов и других специалистов удалось достичь значительных успехов при создании внутрикостных имплантатов с уникальными биоактивными покрытиями.

Перспективность и высокая эффективность электроплазменного напыления (и в целом электроплазменной обработки) заключается в том, что оно может заменить ряд традиционных технологических процессов, выполнявшихся ранее способами, не позволяющими обеспечить высокое качество обработки (очистка поверхности, напыление, диффузионное насыщение и т.п.). Кроме того, следует отметить, что энергетические, тепловые и газодинамические параметры плазменной струи легко можно регулировать в широких пределах. Температуру плазменной струи можно изменять от 1500 К до 25-103^30-103 К, давление в струе 10-3 бар до десятка и более атмосфер, а скорость струи от нескольких метров до сотен метров в секунду.

Важным также является то, что при электроплазменном напылении температура подложки не превышает 100^150 оС.

ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Структурная схема современного автоматизированного оборудования электроплазменного напыления порошковых материалов камерного типа приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема оборудования для электроплазменного напыления порошковых материалов

С целью расширения диапазона функциональных и эксплуатационных свойств плазмонапы-ленных пористо-порошковых покрытий в комплексе оборудования предусмотрена возможность модифицирующего воздействия при формировании наноразмерных структур. Это достигается с помощью [4, 7-9]:

- технологических режимов самого процесса электроплазменного напыления;

- воздействия ультразвукового облучения плазменной струи с находящимися в ней частицами напыляемого порошка, а также опыляемой подложки и уже напыленного покрытия;

- ионно-лучевой обработки материалов и покрытий в газовакуумной среде.

Внешний вид установки камерного типа для электроплазменного напыления покрытий из титана, оксида алюминия, никеля, вольфрама, гидроксиапатита и др. приведен на рис. 2.

Загрузка и выгрузка напыляемых деталей, а также ремонт и профилактический осмотр механизмов производится через люки на передней и задней стенках камеры.

Основные тактико-технические данные автоматизированного напылительного комплекса:

Пределы регулирования тока дуги источника питания

ВДУ-816, А...........................................................................................100-800

Максимальная мощность плазмотрона III1-25, кВт................................25

Рабочее напряжение, В..............................................................25-40

Диапазон регулирования скорости вращения детали, об ./мин.............0-100

Диапазон регулирования скорости перемещения плазмотрона......300-2000

Габариты установки, мм:

ширина..........................................................................................................1200

Длина.............................................................................................................1400

Высота...........................................................................................................1800

Вес без источника питания, кг....................................................................1600

Питание от электрической сети, В........................................................380-220

Частота, Гц........................................................................................................50

ОБРАЗЦЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцами для исследования служили титановые пластины толщиной 2 мм, размером 10*10мм2, на которые после дробеструйной обработки наносили покрытия из Т1, А1203, Саю(Р04)б(ОН)2 и других материалов. Дистанция напыления была 70 мм, 100 мм и 130 мм при токе дуги плазмотрона 520 А и рабочем напряжении 30 В. В качестве примера на рис. 3 приведены результаты исследования технологических факторов напыления на структурно-морфологические характеристики гидроксиапатитовых покрытий.

При изучении морфологии поверхности плазмонапыленного гидроксиапатитового покрытия видно, что поверхность части гранул выглядит гладкой, в то время как другие покрыты многочисленными мелкими сферическими или неправильной формы частицами размером от долей микрона до десятков и сотен нанометров. Аналогичные частицы занимают пространство между гранулами и часто располагаются над их поверхностью. Следует также отметить, что в зависимости от соотношения тепловых потоков (т.е. тока дуги плазмотрона) поверхность покрытия может быть мелкозернистой с значительными крупными (0,1 до 10 и более мкм) полостями, поверхность таких пор часто выглядит гладкой, тогда как другие покрыты многочисленными частицами нанометрового размера. Дно и боковые стенки крупных поверхностных пор в некоторых случаях имеют трещины.

Рис. 2. Автоматизированная установка электроплазменного напыления порошковых материалов

Были выполнены аналогичные исследования влияния воздействия ультразвукового излучения, лазерного и ионного облучения на структурно-морфологические характеристики плазмонапы-ленных покрытий. В работе была также рассмотрена физическая модель процесса формирования наноструктурных элементов при электроплазменном напылении порошковых покрытий. 94

Выполнена оценка тепловых процессов на подложке и тепловых полей в системе частица-подложка при электроплазменном напылении.

3 4

Рис. 3. Морфология поверхности гидроксиапатитовых покрытий при токе дуги 520 А: 1 - дистанция напыления L=l3o мм; 2 - L=70 мм; 3 - L=90 мм; 4 - L=120 мм. Увеличение ><500

ЛИТЕРАТУРА

1. Таран В.М. Проектирование электроплазменных технологий и автоматизированного оборудования / В.М. Таран, С.М. Лисовский, А.В. Лясникова; под ред. В.Н. Лясникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 256 с.

2. Лясников В.Н. Плазменное напыление биокомпозиционных покрытий при создании внут-рикостных стоматологических имплантатов / В.Н. Лясников, В.А. Протасова, З.А. Байбусинова / Вестник СГТУ, №1 (53), Вып. 2. 2011. С. 25-31.

3. Лясников В.Н. Плазменное напыление / В.Н. Лясников, А.Ф. Большаков, В.С. Емельянов. -Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 1992. 164 с.

4. Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с кристаллической и аморфной структурой. М.:Лидер М, 2008. № 2(32). 388 с.

5. Нераспыляемые плазмонапыленные газопоглотители. Свойства. Технология. Оборудование. Применение / Н.В. Бекренев, Д.В. Быков, В.Н. Лясников, А.Н. Тихонов. Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 1996. 200 с.

6. Бутовский К.Г., Лясникова А.В. и др. Электроплазменное напыление в производстве внут-рикостных имплантатов. Саратов: СГТУ. 2006. 200 с.

7. Лясников В.Н., Протасова Н.В. Плазменное напыление в электронике и биомедицинской технике. Саратов: СГТУ, 2010. 285 с.

8. Lim H.N. Préparation and Characterization of Calcium Phosphate Nanorods using Reverse Microemulsion and Hydrothermal Processing Routes // Sains Malaysiana. 39(2). 2010. P. 267-273.

9. Морфология частиц гидроксиапатита и ее влияние на свойства биокомпозитных плазмона-пыленных покрытий / И.П. Мельникова, А.В. Лясникова, В.Н. Лясников // Саратовский научно-медицинский журнал. Т. 9. № 3. С. 441-445.

Лясников Владимир Николаевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Физическое материаловедение и технологии новых материалов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Гавкина Марина Сергеевна -

ассистент кафедры «Физическое материаловедение и технологии новых материалов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Vladimir N. Lyasnikov -

Dr. Sc., Professor

Head: Department of Material Physics and Advanced Materials Technology,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Marina S. Gavkina -

Assistant Lecturer,

Department of Material Physics

and Advanced Materials Technology,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Протасова Наталия Владимировна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Физическое материаловедение и технологии новых материалов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Natalia V. Protasova -

Ph.D., Associate Professor

Department of Material Physics

and Advanced Materials Technology,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 14.11.14, принята к опубликованию 25.12.14