Способ модификации поверхности изделий из титана
METHOD OF SURFACE MODIFICATION OF ARTICLES FROM TITANIUM

Изобретение относится к технологии модификации поверхности, а именно к электронно-пучковой обработке и нанесению тонких пленок, и может быть использовано в авиационной, машиностроительной и других областях промышленности, а также в медицине. Способ предназначен для устранения мелкоразмерных шероховатостей на поверхности материала (острий, микротрещин и др.), образовавшихся в процессе изготовления и транспортировки материала, а также повышения механических и трибологических свойств материалов, в частности титана. Способ может быть использован при создании медицинских изделий предназначенных для длительной эксплуатации в системе живого организма, где требуется придать гладкость поверхности, повысить механические и трибологические свойства без нарушения биосовместимости материала, например, насосов для механической поддержки работы сердца.
Известен способ электронно-пучкового полирования поверхности металлов [1], заключающийся в том, что над полируемой поверхностью посредством лазерного луча поджигают в парах металла и поддерживают в непрерывном оптическом разряде приповерхностную лазерную плазму, а изменение режима полирования осуществляют путем перемещения энергетического центра плазмы относительно полируемой поверхности. Такой способ предусматривает «грубое» полирование поверхности с осуществлением режима глубокого проплавления и объемного парообразования, а также «чистовое» полирование поверхности.
Недостатками данного способа являются локальность воздействия лазерного луча, относительно небольшой размер пятна, а также необходимость создания защитной атмосферы, препятствующей окислению материала в процессе его полировки.
2
Известен способ повышения прочности и износостойкости титана [2], заключающийся в механико-термической обработке титановых изделий, в частности с помощью оксидирования. Способ модификации поверхности титана оксидированием включает нагрев в воздушной среде, изотермическую выдержку и последующее охлаждение образцов на воздухе до комнатной температуры. Перед нагревом осуществляют деформирование поверхности образцов титана в условиях сухого трения скольжения с использованием цилиндрического индентора, а последующий нагрев деформированных образцов производят до температуры 450-650°С. При этом повышается прочность и износостойкость титана за счет создания в его поверхностном слое нанокристаллической двухфазной (α-титан+TiO) структуры.
Недостатками заявляемого способа является высокий нагрев титановых изделий, а также довольно высокий коэффициент трения (не менее 0,4).
2
Известен способ [3] электронно-лучевой обработки титана с целью повышения ресурса работы деталей машин и механизмов, работающих в условиях многоциклового усталостного разрушения, включающий облучение поверхности изделия импульсным сильноточным электронным пучком с получением поверхностных слоев с градиентной многофазной структурой путем импульсно-периодического воздействия сильноточным электронным пучком с энергией электронов 10…30 кэВ в среде аргона при остаточном давлении 0,02…0,03 Па, поглощаемой плотности энергии 10…30 Дж/см, длительности импульсов 100…150 мкс и количестве импульсов 1…3.
Недостатками данного способа являются невысокая износостойкость полученных образцов, а также отсутствие сглаживания поверхности и снижения коэффициента трения.
Наиболее близким по технической сущности и наибольшим количеством совпадающих общих признаков был выбран за прототип способ [4], в котором электроды из титана оплавляют концентрированными потоками плазмы с последующим осаждением на поверхность изделия кремний-углеродной пленки с низкой шероховатостью поверхности.
Недостатком этого технического решения - прототипа является то, что способ был направлен на обработку титановых электродов с целью повышения их электрической прочности вакуумной изоляции.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа модификации поверхности изделий из титана с целью создания медицинских изделий, предназначенных для длительной эксплуатации в системе живого организма.
Техническим результатом является:
- сглаживание поверхности титановых изделий;
- повышение механических и трибологических свойств поверхности титановых изделий.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем предварительное оплавление поверхности изделия из титана концентрированными потоками энергии с последующим осаждением кремний-углеродной пленки, согласно изобретению, осаждение кремний-углеродной пленки производят плазмохимическим методом с использованием импульсного биполярного смещения, прикладываемого к оснастке с изделиями, при амплитуде отрицательного импульса от 100 В до 700 В.
Кроме того, предварительное оплавление поверхности осуществляется импульсным широкоапертурным низкоэнергетическим электронным пучком [5].
x
x
Кроме того, в качестве исходного материала для получения кремний-углеродных (a-C:H:SiO) пленок выступает полифенйлметилсилоксан (ПФМС). Полученная а-C:H:SiO пленка, обладает высокой биосовместимостью и сочетает в себе высокую твердость, низкий коэффициент трения и низкую скорость износа, что способствует применению в медицинских изделиях.
x
Сглаживание поверхности происходит за счет импульсной переплавки поверхностного слоя материала. При оптимально подобранных, для данного материала, параметрах электронного пучка, происходит расплавление и частичное испарение поверхностного слоя материала образца, при этом испаряется или растворяется значительная часть содержащихся в нем инородных включений. В процессе последующего быстрого застывания расплавленного слоя, формируется однородная мелкокристаллическая структура - происходит сглаживание обработанной поверхности. Повышение механических и трибологических свойств поверхности образцов происходит за счет последующего нанесения кремний-углеродной (a-C:H:SiO) пленки, обладающей высокой биосовместимостью и низкой шероховатостью поверхности. Снижение коэффициента трения образцов объясняется тем, что кремний-углеродная пленка, за счет высокой твердости, низкого коэффициента трения и низкой скорости износа, способна выполнять роль твердой смазки.
Способ модификации реализуется следующим образом.
x
-2
Пример №1. Берется образец в форме пластины размером 20×20×4 мм из титана, в данном случае марки ВТ1-0. Осуществляется очистка поверхности в ультразвуковой ванне с использованием изопропилового спирта, ацетона и дистиллированной воды в течение 3 минут в каждой среде. После этого образец устанавливается на проводящую оснастку, помещаемую в рабочую камеру на расстоянии от технологического источника, равном 150 мм. Процесс нанесения a-C:H:SiO пленки осуществляется плазмохимическим методом в смеси аргона и паров ПФМС в вакууме с давлением остаточной атмосферы не более 2⋅10 Па. При этом расход ПФМС составляет 0,05±0,01 мл/мин, расход аргона 3,5±0,5 л/ч, мощность разряда 600±50 Вт, а к оснастке прикладывается импульсное биполярное смещение с амплитудой отрицательного импульса от 100 В до 700 В, частотой следования импульсов 100 кГц и коэффициентом заполнения 60%.
q
cм
В таблице 1 показана зависимость твердости (Н) и среднеквадратичной шероховатости (R) поверхности титанового образца с нанесенной кремний-углеродной пленкой от амплитуды отрицательного импульса биполярного смещения подложки (U).
x
q
Увеличение амплитуды отрицательного импульса биполярного смещения подложки от 100 В до 500 В в процессе нанесения a-C:H:SiO пленки приводит к увеличению твердости с 2,1 до 12,3 ГПа. Дальнейшее повышение амплитуды отрицательного импульса вплоть до 700 В способствует снижению твердости до 11,2 ГПа. Поскольку шероховатость поверхности задается шероховатостью поверхности исходного образца, то среднеквадратичная Шероховатость поверхности R, измеряемая с помощью атомно-силовой микроскопии, составляет ~50 нм для всех случаев.
2
x
Пример №2. Берется образец, аналогичный образцу в примере №1. Образец обрабатывают с помощью низкоэнергетического сильноточного электронного пучка с плотностью энергии 6,5 Дж/см и количеством импульсов 5 раз. После этого производится ультразвуковая обработка/очистка, загрузка образца в рабочую камеру и нанесение а-C:H:SiO пленки аналогично примеру №1. В этом случае к проводящей оснастке прикладывалось биполярное смещение с амплитудой отрицательного импульса 500 В.
x
q
2
3
2
В табл. 2 приведены результаты исследования механических и трибологических свойств титана марки ВТ 1-0 до (1 образец) и после (2 образец) модификации поверхности с помощью электронного пучка с последующим нанесением a-C:H:SiO пленки. Где Н - твердость поверхности образца, R - среднеквадратичная шероховатость поверхности на участке 5×5 мкм, Н/Е - индекс пластичности, Н/Е - сопротивление пластической деформаций, μ - коэффициент трения, k - скорость износа.
2
2
x
На Фиг. 1 представлены изображения поверхности титана с растрового электронного микроскопа: (а) без модификации поверхности, (б) после воздействия концентрированными потоками с плотностью энергии 6,5 Дж/см, (в) после воздействия концентрированными потоками с плотностью энергии 6,5 Дж/см с последующим Нанесением a-C:H:SiO пленки с приложением к проводящей оснастке биполярного смещения с амплитудой отрицательного импульса 500 В.
2
-4
3
2
-4
3
Изначально поверхность титана (Фиг. 1-а) имеет множество микротрещин и микроцарапин, образованных в процессе изготовления листового материала. Поэтому поверхность имеет высокую шероховатость поверхности, измеренная среднеквадратичная шероховатость поверхности на участке 5×5 мкм составляет 40±10 нм. Твердость поверхности составляет 2,1 ГПа, скорость износа 9,4⋅10 мм/Н⋅м, а коэффициент трения 0,68 (Табл. 2). Воздействие На поверхность титана низкоэнергетического сильноточного электронного пучка с плотностью энергии 6,5 Дж/см и количеством импульсов 5 раз (Фиг. 1-б) приводит к сглаживанию поверхности за счет расплавления и частичного испарения поверхностного слоя материала образца, а также последующего быстрого застывания расплавленного слоя, приводящего к полировке поверхности за счет формирования однородной мелкокристаллической структуры. В этом случае среднеквадратичная шероховатость поверхности составляет 8±1 нм. При этом твердость поверхности (Н), скорость износа (k) и коэффициент трения (μ) изменяются не существенно и составляют 2,35 ГПа, 6,8⋅10 мм/Н⋅м и 0,64, соответственно.
x
2
-6
3
Последующее нанесение a-C:H:SiO пленки с подачей импульсного биполярного смещения на титановые образцы, обработанные широкоапертурным низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком с плотностью энергии 6,5 Дж/см и количеством импульсов 5 раз (Фиг. 1-в), (Табл. 2) приводит к повышению твердости (Н) до 12,3 ГПа (более чем в 5,8 раз), снижению скорости износа (k) до 4⋅10 мм/Н⋅м (более чем в 230 раз), а также коэффициента трения (μ) до 0,073 (более чем в 9 раз) по сравнению с титаном без модификации поверхности.
cм
x
cм
2
Таким образом, показано, что повышение амплитуды отрицательного импульса биполярного смещения U, прикладываемого к оснастке в процессе нанесения a-C:H:SiO пленки, вплоть до 500 В приводит к увеличению твердости с 2,1 до 12 ГПа. Дальнейшее повышение U вплоть до 700 В приводит к спаду твердости до 11,2 ГПа вследствие преобладания sp гибридизированных атомов углерода, образованных за счет увеличения энергии, приходящейся на отдельные атомы углерода в пленке.
x
Для достижения эффекта сглаживания поверхности титана и одновременно повышение ее механических и трибологических свойств необходимо воздействие концентрированными потоками энергии (низкоэнергетический электронный пучок) с последующим нанесением a-C:H:SiO пленки, обладающей низкой шероховатостью поверхности, высокой биосовместимостью и твердостью, низким коэффициентом трения и низкой скоростью износа (Пример №2).
Источники информации
1. RU 2381094 С1, 10.02.2010 г.
2. RU 2503741 С1, 10.01.2014 г.
3. RU 2616740 С2, 18.04.2017 г.
4. RU 2665315 С1, 29.08.2018 г.