Важным требованием для использования изделий в условиях агрессивной среды, большой механической нагрузки или высокой температуры является повышение их прочности и износостойкости. Одним из эффективных способов решения этой задачи считается индукционная термообработка — нагрев с последующим охлаждением, — которая придает материалу определенную структуру и свойства. Ей подвергают цветные металлы, особенно титан, цирконий и тантал, что открывает большие возможности для повышения качества различных изделий, в том числе медицинского назначения — хирургических инструментов, дентальных имплантатов и ортопедических конструкций, а также их покрытий.
Суть предложенного метода ИТВР. Источник: Александр Фомин
Ученые из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. (Саратов) предложили лучший подход — индукционно-термическое вакуумное распыление (ИТВР). Они распыляли в вакууме танталовую мишень при помощи высокочастотного тока и осаждали тонкие слои материала на небольшие титановые конструкции. Взаимодействие этих тугоплавких металлов с остаточными газами приводит к созданию оксинитридных покрытий — механической смеси нано- и микроразмерных кристаллитов оксидов и оксинитридов тантала и титана.
Большую роль в формировании структуры играет режим высокотемпературной обработки. Поэтому исследователи изучили систему «индуктор (протекающий в нем ток создает электромагнитное излучение, разогревающее объект) — танталовая мишень — титановое изделие», и численным методом определили ее температурные поля в зависимости от тока индуктора и длительности выдержки. Так ученые подобрали оптимальный режим: при токе около 6500 А и выдержке не менее 300 секунд листовая мишень тантала возгоняется (переходит из твердого состояния в газообразное), а остаточный кислород и азот взаимодействуют с осажденной пленкой на титановой подложке.
Методика «царапания» образцов алмазным конусом. Источник: Александр Фомин
Авторам удалось получить твердые (30–39 ГПа) и сверхтвердые (46–89 ГПа) защитные покрытия, которые характеризуются хорошей биосовместимостью и устойчивостью к коррозии. Также исследователи проверили их на прочность, вдавливая и царапая поверхность алмазными инденторами с определенной силой. Оказалось, что покрытие повышает сопротивляемость титановых изделий истиранию на 40–60%.
Покрытие целое и поврежденное. Источник: Александр Фомин
«Формирование сверхтвердых танталсодержащих покрытий на титановых конструкциях позволит существенно повысить качество медицинских изделий. В ближайшем будущем мы планируем расширить экспериментальные исследования по распылению тугоплавких материалов, в частности циркония, молибдена и углерода. Параллельно с научными исследованиями наш коллектив молодых ученых активно сотрудничает с российскими компаниями-производителями титановых медицинских изделий. Ведутся совместные исследования в части задела для будущих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и внедрения новых решений в производственный процесс высокотехнологичных имплантатов», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Александр Фомин, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия», ведущий научный сотрудник Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
