Влияние режимов обработки ускоренными ионами азота на структуру электроплазменного покрытия и физико-механические свойства титана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат технических наук Муктаров, Орынгали Джулдгалиевич

• Муктаров, Орынгали Джулдгалиевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Муктаров, Орынгали Джулдгалиевич

СОДЕРЖАНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ УСКОРЕННЫМИ

ИОНАМИ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Выводы к главе 1

ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Электротехнологические особенности обработки ускоренным потоком ионов

2.1.1 Измерение ионного тока пучка

2.1.2 Измерение дозы имплантации

2.2 Модернизация конструкции оборудования ионной имплантации

2.3 Методика эксперимента

2.4Методика и аппаратура для электронно-микроскопического

исследования

2.5 Методика и аппаратура для исследований антикоррозионных свойств

2.6 Методика и аппаратура для исследования химического состава

2.7 Методика и аппаратура для исследования поверхностей материалов атомно-силовой микроскопией

2.8 Методика и аппаратура для спектроскопии комбинационного рассеивания

2.9 Методика расчета пробегов ионов методом Монте-Карло

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Спектры комбинационного рассеивания и инфракрасная спектроскопия поверхности титана и электроплазменного покрытия

3.2 Электронная микроскопия и энергодисперсионный анализ

обработанных ускоренными ионами азота поверхностей титана и электроплазменных покрытий

3.3 Атомно-силовая микроскопия поверхности титана обработанного ускоренными ионами азота

3.4 Исследование микротвердости обработанной ускоренными ионами азота поверхности титана и электроплазменных покрытий

3.5 Химический состав поверхности титана после обработки ускоренными ионами азота

3.6 Исследование коррозионной стойкости титана обработанного

ускоренными ионами азота

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ НА . МЕХАНИЧЕСКИЕ И КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСВА ПОВЕРХНОСТИ БИОСОВМЕСТИМЫХ СЛОЕВ МАТЕРИАЛА

4.1 Роль процессов ионизации и диссоциации адсорбированных углеродосодержащих газов

4.2 Модель объемных наноструктурных превращений в имплантированных материалах

4.3 Сравнение полученных экспериментальных результатов с

разработанной физической моделью

ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТОВ ИЗ ТИТАНА С ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫМ ГИДРОКСИАПАТИТОВЫМ ПОКРЫТИЕМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование, ионно-лучая обработка) - электротехнологический метод, позволяющий генерировать ионы из газа, разгонять их до высоких энергий и внедрять в модифицируемую подложку.

Наноструктура (англ. nanostructure) - совокупность наноразмерных объектов искусственного или естественного происхождения, свойства которой определяются не только размером структурных элементов, но и их взаимным расположением в пространстве.

Коррозионная стойкость - способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью коррозии в данных условиях. Твёрдость - свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела - индентора.

Гидроксиапатит (англ. hydroxy apatite, hydroxylapatite, НА) - минерал, который является аналогом костного матрикса и применяется для усиления биофункциональных свойств биосовместимого титана. Нанесение гидроксиапатита производят различными методами, среди которых широкое распространение получил метод плазменного напыления.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ИЛО - ионно-лучевая обработка

ИИ - ионная имплантация

ТМП - технология модификации поверхности

Ф - доза облучения

Е - энергия облучения

ИП - источник питания

УСО - устройство сопряжения с объектом

ЦФ - цилиндр Фарадея

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ГА - гидроксиапатит кальция

КР - спектры комбинационного рассеивания

ИК - инфракрасные спектры

ВИМС - вторично-ионная масс-спектрометрия

СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия

АСМ - атомно-силовая микроскопия

РЭМ - растровая электронная микроскопия

Г.Ц.К. - гранецентрирования кристаллическая решетка

Rp - среднее значение пробега ионов

ARP - среднеквадратическое отклонение пробега ионов (страгглинг пробега).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние режимов обработки ускоренными ионами азота на структуру электроплазменного покрытия и физико-механические свойства титана»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие научно-технического прогресса в области создания изделий нового поколения в машиностроении, приборостроении, ракетно-космической, авиационной, ядерной техники и медицины требуют совершенствования существующих и разработки принципиально новых технологических процессов, направленных на повышение надежности и долговечности материалов. При этом финишные методы обработки материалов, формирующие физико-химическое состояние поверхностного слоя, играют в большинстве случаев определяющую роль.

Титан и электроплазменные покрытия относятся к наиболее востребованным материалам и покрытиям при изготовлении ответственных деталей, которые эксплуатируются в широком диапазоне знакопеременных циклических, динамических и статических нагрузок, и в зависимости от назначения подвержены воздействию окислительной среды.

Анализ литературы [1-2, 10, 13-14, 67, 100-126] показывает, что технологии модификации поверхности (ТМП) с использованием ионных потоков находят широкое применение в различных областях промышленности. Технологии модификации поверхности с использованием ионных потоков интенсивно используются для повышения защитных и прочностных свойств изделий. Большой вклад в развитие и исследование ТМП внесли выдающиеся исследователи, такие как Гусева М.И., Козейкин Б.В., Дорфман В.Ф., Соколов Е.Б., Зорин Е.И., Фролов А.И., Павлов П.В., Перинский В.В. и др.

ТМП с использованием ионных потоков, являясь одним из высококонтролируемых перспективных методов модифицирования различных материалов, приводит к значительным изменениям физико-химического состояния поверхностного слоя и, как следствие, функциональных свойств - выносливости, долговечности,

износостойкости, коррозионной стойкости и биологической совместимости. Вместе с тем, отсутствие режимов обработки ускоренными ионами для биологически совместимых материалов, а также влияние обработки ускоренными ионами на прочностные свойства, параметры структуры, химический и фазовый состав, коррозионную стойкость предопределяет проведение в этой области комплексных экспериментальных исследований.

Одним из наиболее перспективных направлений повышения функциональных свойств титана и электроплазменных покрытий, является создание профильной части в виде оболочковой конструкции, а также получение на ее поверхности ориентированной наноструктурированной структуры с заданным химическим составом. Современные плазменные методы нанесения биологически активных покрытий обладают широкими технологическими возможностями по управлению их свойствами, физико-химическим и структурно-фазовым составом и могут быть использованы для формирования достаточно сложных конструкций в виде морфологически развитой структуры. Однако в настоящее время отсутствуют соответствующие способы и устройства, позволяющие получать конструктивно включающие в себя морфологически развитую систему наноструктурированных покрытий. К тому же не исследовано влияние ионной обработки ускоренными ионами азота в заданной атмосфере углеродсодержащих газов на структуру и физико-механические свойства электроплазменного покрытия и технически чистого титана, что определяет актуальность данной работы.

Актуальность данной работы также подтверждается тем, что она связана с выполнением работ по:

1. Государственному контракту № 9553 р/14177 от 04 июля 2011 года фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка технологии ионно-лучевой модификации композициоииых

покрытий с наноструктурными элементами и модернизация плазмохимической установки»

2. Государственному контракту №11020р/17111 от 31.08.2012 года фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка технологии модификации композиционных биосовместимых покрытий на основе наноуглеродных волокон с применением модернизированной электроплазменной установки»

3. Научно-исследовательскому проекту «Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований и экспериментальных разработок» по теме: «Исследование физических механизмов и технических средств создания многофункциональных наноструктурированных материалов и покрытий, обеспечивающих управляющую доставку активных компонентов в зону взаимодействия»

Целью работы является обеспечение высоких физико-механических и заданных структурных свойств электроплазменных покрытий и титана, используемых при изготовлении изделий различного назначения, путем физико-технической обработки ускоренными ионами азота.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

1. Оценка эффективности влияния обработки высокоэнергетическими ускоренными ионами на физико-механические и химические свойства конструкционных материалов.

2. Разработка способа обработки ускоренными ионами азота в заданной углеродсодержащей смеси газов.

3. Исследование влияния технологических параметров обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей смеси газов на структуру, микротвердость, коррозионную стойкость химический и элементный состав титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия.

4. Разработка технологического процесса обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей смеси газов титана и электроплазменного покрытия.

5. Разработка практических рекомендаций по применению способа обработки ускоренными ионами в заданной атмосфере углеродсодержащих газов в промышленности и учебном процессе.

Методы и средства исследований: Экспериментальные исследования по обработке ускоренными ионами азота выполнены на промышленной установке ионного легирования «Везувий-5». Исследования структуры и морфологии поверхностного слоя титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия до и после обработки ускоренными ионами в углеродсодержащей газовой смеси проводили растровым электронным микроскопом JEOL JSM-64901v с энергодисперсионной рентгеновской приставкой и атомно-силовым микроскопом Интегра Аура. Измерения микротвердости и коррозионной стойкости проводили на приборе ПМТ-3 согласно ГОСТ 9450-76 и на потенциостате-гальваностате P-8S, в 5% водном растворе NaCl. Исследования элементного состава поверхностного слоя титана, обработанного ускоренными ионами, проводили методом вторично-ионной масс-спектрометрии с помощью установки PHI-6300 PC-Service с квадрупольным анализатором «Balzers». Физико-механические исследования проводили на универсальной разрывной машине Tinius Olsen H75KS. Спектроскопические исследования обрабатываемых материалов проводили на спектрометре комбинационного рассеивания NT-MDT и инфракрасном спектрометре Nicolet-6700.

Первая глава содержит обзор научно-технической литературы по теме работы, связанной с повышением функциональных свойств конструкционных материалов методом ионно-лучевой обработки (ИЛО). Обзор научно-техиической литературы проведен в различных областях машиностроения, а также в области изготовления изделий медицинской

техники. Особое внимание уделено рассмотрению проблем повышения прочности, усталостной прочности, коррозионной стойкости различных металлов и сплавов, также рассмотрено применение метода ИЛ О на примере изготовления медицинских изделий - внутрикостных имплантатов. По итогам анализа научно-технической информации сделан вывод, что выбор соответствующих режимов ИЛО (энергия, доза облучения) может увеличить сопротивление усталостному разрушению, повысить износо- и коррозионную стойкость, а также улучшить биоинертность материалов. Показано, что в настоящее время отсутствуют режимы ИЛО технически чистого титана марки ВТ 1-00 и электроплазменных покрытий, широко применяемых в различных областях промышленности, в том числе медицине, в частности при изготовлении внутрикостных имплантатов. Определено, что установление данных режимов ИЛО для титана марки ВТ 1-00 и электроплазменных покрытий позволит спрогнозировать возможные структурно-фазовые изменения поверхностных слоев материалов и физико-механические свойства, влияющие на долговечность, износостойкость, коррозионную стойкость и биоинертность материалов.

Во второй главе рассмотрены электротехнологические особенности при ионно-лучевой обработке. Для расширения и улучшения функциональных и физико-механических свойств обрабатываемых материалов предложены конструктивные изменения приемного устройства, заключающиеся в разработке конструкции подачи газов в объём приемного устройства. Рассмотрены особенности ионно-лучевой обработки с подачей газов в объём приемного устройства, зависимости дозы облучения от времени и параметров, определяющих концентрацию молекул ионизируемых газов при заданном токе катода.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования структуры поверхностного слоя материалов, физико-механических и химических свойств титана и материалов с

электроплазменным гидроксиапатитовым покрытием в зависимости от режимов обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей смеси газов С02 и СН4. Приводится обоснование выбранных технологических режимов (Е = 100 + 110 кэВ, доза облучения Ф = 6-Ю15 4,2-1016 ион/см2) обработки ускоренными ионами азота. Затем приведены результаты исследований.

Из спектров комбинационного рассеивания (КР-спектры) обработанной поверхности титановой основы ускоренными ионами азота с дозой облучения в диапазоне от 6-Ю15 до 4,2-1016 ион/см2 с энергией Е = 100 110 кэВ, видно, что повышение дозы облучения приводит к значительным положительным изменениям КР-спектров; так, при дозе

| /• л

облучения Ф = 4,2-10 ион/см регистрируются два пика в области 517 и 720 см"1, что указывает на наличие на поверхности титана нитридных фаз.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования морфологии поверхностного слоя титана до и после обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей газовой смеси. Из которых видно, что на поверхности титана после облучения высокоэнергетическими ионами азота в заданной атмосфере формируется кластерная структура покрытия

Представлена структура сформированного кластерного покрытия на поверхности титановой основы, исследованная методом атомно-силовой микроскопии, которая показала, что кластерная структура имеет развитый рельеф. Установлено, что кластерное покрытие имеет правильную вертикальную структуру и формируется в более плотную при увеличении дозы облучения.

Представлены результаты исследования морфологии облученной поверхности электроплазменного гидроксиапатитового покрытия с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) и энергодисперсионной рентгеновской приставки. Установлено, что при дозе

1С 2

облучения Ф = 1,2-10 ион/см на поверхности электроплазменного

гидроксиапатитового покрытия формируются наноразмерные структуры в виде волокон диаметром до 150 нм.

Представлены результаты элементного анализа обработанной поверхности гидроксиапатитового покрытия с дозой облучения Ф =

1 f О

1,2-10 ион/см с помощью рентгеновской энергодисперсионной приставки. Установлено, что в сравнении с не облученной поверхностью электроплазменного покрытия увеличивается концентрация атомов углерода в два раза при уменьшении содержания кальция и фосфора.

Представлены результаты исследования микротвердости обработанной в углеродсодержащей смеси газов ускоренными ионами азота поверхности электроплазменного гидроксиапатитового (ГА) покрытия и титановой основы при различных дозах. Установлено, что микротвердость электроплазменного гидроксиапатитового покрытия и титана зависит в большей степени от дозы облучения, чем от энергии. При этом максимальное увеличение микротвердости титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия наблюдается при дозе Ф = 1,2-1016 1,8-1016 ион/см2 и составляет для титана от 5,0 до 13 ГПа. Это в 2,6 раза больше, чем для необработанного титана, а для электроплазменного гидроксиапатитового покрытия от 5,4 до 8,3 ГПа, что на 50% больше, чем для не обработанной поверхности электроплазменного покрытия.

Представлены результаты исследования элементного состава поверхности титана, полученные методом вторично-ионной масс-спектроскопии. Из результатов химического состава поверхностного слоя обработанного титана видно, что на поверхности изменяется относительное содержание атомов углерода и азота в зависимости от дозы обработки. При этом наблюдается увеличение относительного содержания атомов углерода в 2,5 раза при дозе облучения 1,8-1016 ион/см2, для которой наблюдается максимальное увеличение микротвердости.

Представлены результаты исследований коррозионной стойкости

титана в зависимости от дозы облучения в результате которых было

установлено, что облучение титана в углеродсодержащей газовой смеси

способствует увеличению его коррозионной стойкости в 5 % водном

растворе NaCl (электрод сравнения хлоридсеребряный AgCl/Ag,Cr). При

16 2

этом установлено, что при дозе облучения титана Ф = 1,8-10 ион/см коррозионная стойкость увеличивается до 80%.

В четвертой главе проанализированы полученные экспериментальные результаты и предложена модель, описывающая явления, происходящие на поверхности облучаемых материалов под действием высокоэнергетических ионов азота в углеродсодержащей газовой смеси. Показано, что определенный вклад в повышение микротвердости и коррозионной стойкости вносят физико-химические изменения, происходящие в поверхностном и приповерхностном слое, а именно, образование на поверхности электроплазменных покрытий и титана углеродного упрочняющего слоя в виде нановолокон диаметром до 150 нм. В приповерхностном слое ионно-облученных электроплазменных гидроксиапатитовых покрытий и титана происходит образование ультрадисперсной структуры в области максимума энергетических потерь внедряемых ионов, а также образование мономолекулярных слоев в области, превышающей максимум энергетических потерь внедряемых ионов путем передачи электрического заряда молекулам гидроксиапатита с постоянным диполем.

В пятой главе дано описание разработанного технологического процесса при ИЛО в углеродсодержащей смеси газов С02 и СН). При этом подготовка титановой основы осуществляется путем абразивно-струйной обработки частицами оксида алюминия, последующей очисткой в ультразвуковой ванне, обработке ионами азота согласно полученным в третьей главе режимам. Затем на поверхности титановой основы формируют электроплазменное гидроксиапатитовое покрытие, которое

обрабатывают согласно полученным режимам ускоренными ионами азота в углеродсодержащей газовой смеси.

Таким образом, обработка в углеродсодержащей смеси СОг и СН4 газа ускоренными ионами азота с энергией 10СН-110 кэВ и дозой 1,2-1016-И,8-1016 ион/см2 приводит к образованию на поверхности титана и электроплазменного покрытия углеродных наноструктур в виде волокон правильно и произвольно ориентированной формы. Это приводит к значительному увеличению микротвердости для титана от 5,4 до 13 ГПа (до 260 %) и для электроплазменного покрытия от 5,4 до 8,3 ГПа (до 53 %).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые показано, что физико-техническая обработка ускоренными ионами азота позволяет увеличить физико-химические и механические характеристики поверхностного слоя титана и электроплазменного покрытия.

2. Обоснованы режимы обработки ускоренными ионами азота, позволяющие обеспечить требуемую дозу и глубину внедрения ионов азота в титане и электроплазменном гидроксиапатитовом покрытии.

3. Впервые установлено, что при обработке ускоренными ионами азота в атмосфере углеродсодержащих газов происходит увеличение физико-механических и структурных параметров, что приводит к улучшению эксплуатационных свойств материалов.

4. Впервые исследовано влияние технологий иоиио-лучевой обработки титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия в углеродсодержащей газовой среде на физико-механические свойства титана и электроплазменного покрытия.

5. Впервые получены экспериментальные данные о влиянии режимов обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей газовой смеси на структуру, микротвердость, коррозионную стойкость, химический и элементный состав титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Режимы обработки титана и материалов с электроплазменным гидроксиапатитовым покрытием при физико-технической обработке ускоренными ионами азота с энергией Е = 100 110 кэВ и дозой 1,2- 101бн-1,8-1016 ион/см2 в углеродсодержащей смеси газов с давлением 1,3 10~3 1,3-10"4 Па, позволяют получить улучшенные физико-механические характеристики поверхностного слоя материала.

2. Ионно-лучевое воздействие с энергией Е = 100 110 кэВ на титан и материал с электроплазменным гидроксиапатитовым покрытием при дозе ионов азота 1,2-1016 ^ 1,8-1016 ион/см2 и давлении углеродсодержащей газов смеси 1,3-10"3 1,3-10"4 Па, приводит к образованию углеродных нановолокон.

3. Приемное ионно-лучевое устройство и полученные с его помощью экспериментальные и практические результаты позволяют использовать его для получения титановых изделий с электроплазменными покрытиями с заданными физико-механическими характеристиками, в частности, при изготовлении внутрикостных имплантатов с электроплазменным гидроксиапатитовым покрытием.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложено новое техническое решение, представляющее устройство для ввода в приемное устройство установки ионной имплантации углеродсодержащей смеси газов, обеспечивающее получение на поверхности материалов углеродных наноструктур в виде волокон, влияющих на физико-механические свойства материалов.

2. Полученные в работе закономерности и результаты исследований использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технологии материалов» и «Биотехнические системы и технологии».

3. Результаты исследований могут быть положены в основу разработки новых и совершенствования существующих технологических

процессов ионно-лучевой обработки для изготовления изделий различного назначения, позволяющих упрочнять материалы с электроплазменным покрытием и создавать наноразмерпую структуру поверхностного слоя материала.

4. Способ поверхностной ионно-лучевой обработки материалов внедрён на предприятиях ООО «Стальтех» и ООО «Сименс-С».

Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием аппарата основ физики твердого тела, методов ионно-лучевой обработки и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и проведенных экспериментальных исследований, воспроизводимостью результатов исследований и соответствием базовым закономерностям электротехнологических процессов.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты исследований опубликованы в 14 работах, из них 5 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на изобретение РФ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях международного и всероссийского уровня: «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, ТГУ, 2012); «XXXVII Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2011); «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24» (Саратов, СГТУ, 2011); «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, ТГУ, 2011); «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, ОГУ, 2011); «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии» (Саратов, 2012); на научных семинарах кафедры «Физическое материаловедение и технологии новых материалов» (Саратов, СГТУ им. Гагарина Ю.А., 20102013) и кафедры «Физическая электроника и нанофизика» (Уфа, Башкирский государственный университет, 2012).

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ УСКОРЕННЫМИ ИОНАМИ НА СТРУКТУРНЫЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Профессором Гусевой М.И. было показано [1, 2], что, изменяя энергию и дозу облучения ионами, возможно, регулировать профиль распределения внедренных ионов и управлять их глубиной внедрения начиная от десятков до нескольких сот нанометров. При этом в сравнении с традиционными методами легирования материалов, внедрение ускоренных ионов способствует образованию радиационных дефектов в легированном слое материала (рис.1.1). Увеличение количества дефектов в структуре металлов является одним из путей традиционного их упрочнения [3 - 5]. Наиболее типичным радиационным дефектом является пара Френкеля: вакансия - междоузельный атом. Аналогичные дефекты возникают в кристаллической решетке металла под действием ионной бомбардировки [6] и последующего перераспределения элементов состава поверхности [7]. Это обусловливает появление различного рода сегрегаций, дислокаций, клубков дислокаций [1, 8, 9] новых источников дислокаций [10, 11], разупорядочение и образование новых фаз [6, 7]. Отмеченные особенности способствуют увеличению в поверхностном слое плотности дислокаций, по сравнению с исходным (необлученным) состоянием [8, 12].

Применение ионной имплантации возможно также для повышения циклической прочности и долговечности [1, 2, 11, 13-18], коррозионной стойкости [19 - 21], сопротивлению высокотемпературному окислению [22, 23, 18] металлов и сплавов. Однако следует отметить, что для каждого вида материала в зависимости от условий их эксплуатации существуют строго ограниченный оптимальный диапазон энергий, дозы и типа ионов.

Рис. 1.1. Пробег ионов в имплантируемом материале, где: 1 - распределение ионов легирующего вещества; 2 -дефекты кристаллической решетки по глубине поверхностного слоя

Так, например [24, 25], имплантация образцов поликристаллической меди ионами А1+, Сг+ и В+ с дозой Ф = 5-1019 ион/см2 обеспечивает неоднозначное влияние на усталость в области много- и малоциклового нагрузке. Положительное влияние ионной имплантации AI и Cr, в отличие от В, определено высокой плотностью дислокационных образований в поверхностном слое материала, формированием необходимого дисперсионного упрочнения и сжимающих напряжений. А ионы В, создают в поверхностном слое неблагоприятно растягивающие напряжения, и приводят к отрицательному влиянию на работоспособность меди при знакопеременной нагрузке.

Отмеченное ранее [26 - 30] влияние напряженного состояния поверхностного слоя на циклическую долговечность материалов, имеет также определенное значение и при ионной имплантации. Так в [24, 25], исследовалась живучесть образцов из стали A1S1 1018 после ионной имплантации ионами азота N4" (энергия Е = 150 кэВ, доза Ф = 2 - 1017см"2, R = 0,37 мкм). Установлено, что после ионной имплантации формируются

растягивающие поверхностные напряжения, снижающие, в сравнении с исходным состоянием, циклическую долговечность. Атермическое (в

о

течении 4-х месяцев) и термическое (Т=100 С, т=6 час) старение обусловлено, вследствие диффузионных процессов, увеличение модифицированного слоя, релаксацию растягивающих напряжений, образование мелкодисперсных преципитатов, что в итоге способствовало повышению циклической долговечности до 108 цикл. (Н1СХ=10б цикл.). Положительное влияние имплантации Ы4" и С+ и после имплантационного отжига на циклическую долговечность обнаружено также для конструкционных сталей [31 - 33] и жаропрочных сплавов [34, 35].

Сорт и доза имплантируемого иона являются весьма важным фактором в определении структурных и физико-механических характеристик материала. Так в [31], для стали ЗОХГСНА, исследовано

| "4" | 1*7 2

влияние ионной имплантации В , С , (Ф = 10 ион/см , Е = 40 кэВ) (рис. 1.2). Установлено что при ионной имплантации К1", как оптимальном сорте иона, уменьшается разброс экспериментальных значений долговечности и увеличивается время до образования усталостной трещины при напряжениях значительно превышающих предел выносливости. Кроме этого показано [32], что изменяя дозу

■ | г | п л

имплантируемого от 10 до 10 ион/см , приводит к экстремальному изменению физико-механических свойств (рис. 1.3).

Применительно к сплавам на основе титана с а+Р - структурой (ТчП-6А1-4У) УагсНтап в 1982 г. впервые установил [11] возможность повышения циклической долговечности при имплантации ионов азота К1" и углерода С+ (Е = 75кэВ, Ф = 2-Ю17 ион/см2). Наибольший эффект в сопротивлении малоцикловой усталости дают ионы углерода, что связанно с появлением второй фазы (ТЮ), в случае с ионной имплантацией азота М"1" второй фазы не обнаружено. В обработанных ускоренными ионами образцах усталостные трещины в сравнении с необработанными зарождаются на глубине порядка 25-150 мкм от поверхности.

I—-_I_1-,--нн

1Й* 10*«7* Ю7 Н.ЩМ

I исх.сист.; 2-Ш ; ИИ В\0=20*0

Рис. 1.2. Кривые выносливости сплава Ть24У: 1 - исходное состояние; 2 -ионная имплантация азота К1"; 3 - ионная имплантация бора В+

В работах Кап и КосЬшап [36], для сплавов титана Т[ при ионной

+ + 17 2

имплантации азота N и бора В (Е=100кэВ, Ф = 10 ион/см ), отмечено образование в поверхностном слое дисперсных частиц ТЛ4^ и ТлВ, обусловивших упрочнение, торможение дислокаций при знакопеременном нагружении [11, 37] и, как следствие, повышение сопротивления усталости (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Пространственная диаграмма выносливости стали ЗОХГСНА [81]

Оеагпа1еу показал [38], что в случае усталости при фреттинге сплава Ть6А1-4У и ионной имплантации Ва+,СБ+,8г+ и УЪ+, лучшие

р г _} А »

щ * «иикп

1-Е = Цокэ6-1 2.-Ё=£01ОЬ.

результаты дает барий. Кроме этого, имплантация бария в титан приводит одновременно к повышению жаростойкости вследствие ее локализации по границам зерен и дислокациям, образованием с примесями кислорода титаном фазы ВаТЮз с решеткой пировскита, которая в дальнейшем блокирует диффузионные пути окисления.

В первой отечественной работе [39], выполненной на ускорителе «Везувий-1», по ионной имплантации углерода С и азота (Е=150 кэВ, Ф = 1017 ион/см) в сплавы титана марки ВТ8 и ВТ18 установлено, что обработка ускоренными ионами приводит к повышению предела выносливости на 5,1 - 7,7 %. Однако авторами научной работы не было произведено обоснование режимов ионного модифицирования, не был проведен анализ усталостных испытаний и не был объяснен механизм упрочнения поверхности.

Для целого ряда деталей необходимо одновременное сочетание коррозионно-усталостных свойств. В этом случае, как показано в [40] для стали 08Х15Н4ДМЛ, имплантация поверхности ионами азота (Е=40

I п

кэВ, Ф = 10 ион/см) обеспечила повышение, как предела выносливости, так и долговечности (~2 раза) материала.

Однако, в случае более сложных условий работы (например, одновременное сочетание усталостных напряжений, коррозионной среды, эрозионного изнашивания и температуры) эксплуатационные свойства деталей могут быть повышены путем комбинированного ионно-лучевого модифицирования [14]. Суть метода заключается в том, что на первой стадии проводится ионная бомбардировка поверхности с энергией Е = 102 - 10 эВ или ионной имплантации с энергией Е = 30-40 кэВ. Это проводит к очистке и активации поверхности перед нанесением защитного покрытия, обеспечивающего коррозионные свойства и износостойкость материала [41].

В настоящее время метод ионной имплантации нашел применение в медицине в частности при изготовлении имплантатов с памятью формы

выполненных из никелида титана. Метод позволяет создать в поверхностном слое материала барьерный слой, обеспечивающий снижение воздействия токсичных атомов никеля на окружающие биологические ткани, что впоследствии улучшает биоинертные характеристики материала. Так в работе [42] сравнивали внутрикостные имплантаты из никелида титана, обработанные ускоренными ионами циркония и молибдена (Е=60кэВ, Ф = 1,5*1017 ион/см2) с помощью установки вакуумно-дугового частотно-импульсного ионного источника «Диана-2», с имплантатами из титанового сплава ВТ-6. Исследуемые имплантаты устанавливали в нижнюю челюсть поросят возрастом 2,5 месяца. В результате эксперимента было установлено, что модифицированная поверхность никелида титана значительно снижает процессы коррозии в биологической среде в сравнении с титаном марки ВТ-6. После осмотра поверхности имплантата и костных блоков расколотых вдоль имплантатов выявлено, что имплантаты из никелида титана надежно зафиксированы в костной ткани, что не позволило удалить их без усилий. Образцы, изготовленные из титанового сплава ВТ-6, выделялись из тканей относительно легко, их окружала хрящеподобная оболочка. При этом основным фактором, оказывающим влияние на формирование косной ткани вокруг обработанных ионами имплантатов, является физико-химические свойства поверхности, приобретаемые после обработки ионами. Модификация ускоренными ионами молибдена и циркония улучшает морфологию поверхностного слоя никелида титана, и существенно улучшает процессы образования костной ткани на поверхности имплантата. В сравнении с поверхностью имплантата из титанового сплава ВТ-6 скорость формирования костной ткани, которой является замедленной в результате активных коррозионных процессов, поверхность имплантата при этом изолируется грубо-волокнистой фиброзной капсулой.

В работе [42] представлены результаты исследований коррозионных и биосовместимых свойств никелида титана, обработанного ускоренными ионами титаиа при ускоряющем напряжении 60 кВ. Доза

17

облучения для всех образцов составляла 1,4-10 ион/см. Оценка биосовместимых свойств никелида титана проводилась путем испытаний in vivo на морских свинках, поросятах и кроликах. В результате проведенных исследований было установлено, что гистопатологические особенности «протеино-подобной» (ПП) - и «коллагенно-подобной» (КП) -пленок прямо коррелируют с физико-химическими и морфологическими свойствами поверхностей имплантатов из никелида титана. В тех случаях, когда имплантат демонстрировал пониженную коррозионную стойкость, его поверхность была покрыта в основном коллагено-подобными пленками, тогда как вокруг имплантатов с повышенными коррозионными свойствами были сформированы тонкие прозрачные протеино-подобные пленки, свидетельствующие о минимальных изменениях в прилежащих тканях, что позволяет считать такие поверхности более биосовместимыми.

В медицине титан широко используется в качестве биоинертного материала, способного контактировать с живой тканыо без реакций иммунной системы, например с костной тканыо, такие изделия называются внутрикостными имплантатами. Внутрикостные имплантаты работают весьма в широком диапазоне знакопеременных циклических, динамических и статических нагрузок, возникающих при установке и функционировании имплантатов, и к тому же повержены воздействию окислительных продуктов биологической среды. Среди конструкций внутрикостных имплантатов в настоящее время широко распространены имплантаты с композиционным покрытием, выполненные из биологически совместимых материалов. Композиционные покрытия наносят с целью улучшения процессов взаимодействия с живой тканыо, окружающий имплантат. Среди методов нанесения композиционных покрытий широкое коммерческое распространение получил метод плазменного напыления, а в

качестве биологически совместимого материала широко используют минеральный аналог костной ткани - гидроксиапатит кальция Са10(РО4)6(ОН)2.

Титановая внутрикостная часть имплантата, является одной из наиболее ответственной, поскольку имплантат подвержен широкому спектру различных воздействий от окружающей биологической среды до приложенных вертикальных и боковых сил при знакопеременном их действии в виде нормальных, тангенциальных и изгибающих нагрузках при функционировании имплантата. При этом средняя нагрузка вертикально действующих сил, например внутрикостного дентального имплантата может составлять от 150 до 400 Н, а изгибающих и тангенциальных сил от 20 Н, при этом наиболее опасным являются изгибающие нагрузки, поскольку возможны повреждения костной ткани и пластическая деформация конструкции имплантата.

В настоящее время имеется потребность в конструкциях внутрикостных дентальных имплантатов с высокими физико-механическими свойствами, которые позволяют при определенных клинических случаях, например, недостаточном количестве костной ткани или при отсутствии возможности применения стандартного имплантата, проводить установку имплантатов с меньшими размерами. Разработка таких конструкций с заданными физико-механическими свойствами может существенным образом повысить качество жизни людям с данными клиническими случаями.

Для внутрикостных дентальных имплантатов в настоящее время широко применяют технически чистый титан отечественной марки ВТ 1-0, ВТ1-00 (ГОСТ 19807-91) [60]. Такие материалы отличается высокой пластичностью и небольшими прочностными свойствами. Технически чистый титан марки ВТ1-00, ВТ1-0 с а-структурой получают иодидным и электролитическими способами [60], производимых в промышленности в виде листов, прутков или проволоки согласно ГОСТ 19807-91, при этом

Достижения современного материаловедения указывают на то, что любой материал, взятый отдельно, не удовлетворяет полному комплексу требований, предъявляемых к изделиям медицинского назначения. В подобных случаях без композиционных материалов не обойтись, а технология изготовления играет определяющую роль в их поведении in vivo и in vitro. На данный момент наибольшее распространение получили два метода: комбинация двух и более материалов, и поверхностная модификация основного материала. В случае модификации поверхностного слоя основного материала его свойства будут значительно отличаться от свойств не модифицируемого материала, при этом поверхность материала в основном модифицируется электрофизическими и физико-химическими методами, такими как напыление или осаждение материала покрытия. Следует отметить, что для более устойчивого перехода от основы к покрытию нужно обеспечить создание послойно изменяющейся структуры [43].

За последние 10 лет наноструктурируемые биокерамические покрытия для медицинских устройств не получили широкого применения, хотя процессы нанесения тонких пленок в электронной промышленности технологически отработаны и применяются в попытке производства покрытий на имплантатах. Эти материалы содержат большой объем дефектов (до 50%) таких, как границы зерен, межфазные границы и дислокации, что сильно влияет на их физические, химические и биологические свойства. В частности, обработка наноструктурных композитов для челюстно-лицевой и ортопедической хирургии должна предусматривать разработку структурных и поверхностных характеристик, учитывая строение кости. Широкое применение получили кальций-фосфатные покрытия на основе гидроксиапатита (ГА), фторапатита (ФА), фторгидроксиапатита (ФГА), а- и (3-трикальцийфосфата (ТКФ) и их композиции, используемые как для зубоврачебных, так и для ортопедических устройств имплантологии. Например, ГА очень сходен с

Получение керамики с развитой поровой структурой, обеспечивающей образования химического и клеточного взаимодействия на границе кость-имплантат, в сочетании с высокими прочностными свойствами открывает принципиально новые возможности в эндопротезировании. Решение проблемы, связанной с получение прочной керамики с развитой поровой структурой, может быть найдено в использовании исходных порошков с размером частиц в диапазоне нескольких десятков нанометров.

Общепринятым решением проблемы считается [45]:

1) нанесение электрофизическими, химическими (электрохимическими) методами тонких покрытий на металлическую несущую основу имплантата для стимулирования врастания кости;

2) упрочнение волокнами;

3) морфологическая инженерия поверхности для стимулирования врастания кости.

Основная идея - морфология поверхности должна индуцировать образование клеток независимо от химического состава.

Выходом из положения, казалось бы, являются наноструктурированные алмазные покрытия, способные обеспечить высокие физико-механические свойства: очень высокая твердость (до 75 ГПа и выше), жесткость, износостойкость, низкий коэффициент трения и биосовместимые характеристики. Алмазные покрытия получают с помощью химического осаждения из паров [43].

Наноструктурированные алмазные пленки, выращенные с воздействием Аг/Н2/Сбо, А1/Н2/СН4, Аг/ СП) и Аг/СН4/К2 плазмы, имеют размер зерна в пределах от 3 до 20 нм и шероховатость поверхности меньше 18 нм. В процессе осаждения, давление реагирующих газов около 133-166 Па и температура подложки не превышает 800-850°С. Данные покрытия на титановых сплавах (ТьбАМУ) применяются на имплантатах тазобедренного, коленного и височно-нижнечелюстного суставов. Однако

гидроксиапатитовых покрытий при температуре нагрева основы 400-600°С. Отмечено, что при нагреве основы выше 400 °С при напылении ГА покрытий происходит увеличение микротвердости с 550-650 до 800-900 МПа, а количество кристаллической фазы увеличивается с 40-50 до 75%.

Несмотря на высокие полученные результаты повышения прочности титановых и ГА покрытий, добиться максимально приближенных свойств покрытий с костной тканыо на наноразмерном уровне таким способом весьма проблематично, поскольку метод позволяет увеличивать макропараметры таких покрытий, не изменяя морфологические свойства поверхности на наноразмерном уровне.

В работе [47] предлагается использовать дополнительный подслой из никелида титана путем электроплазменного напыления между компактной титановой основой и напыляемого титана или ГА и подвергать термической обработке напыленные электроплазменные покрытия, сразу после напыления последнего слоя. Термическая обработка плазменной струей осуществляется путем отключения подачи напыляемого порошка , при токе дуги плазмотрона 1=550А и расстоянии от плазмотрона до поверхности Ь=80мм. Также в работе предлагается проводить последующую термическую обработку в печи при температуре 955-1050°С в инертной среде аргона в течение 3-15 мин.

В результате проведенных экспериментальных исследований в работе установлено увеличение толщины переходной зоны, возникающей в результате термической обработки плазменной струей и способствующей увеличению площади контакта частиц напыляемого материала с основой. В работе показано, что термическая обработка не оказывает существенного влияния на изменение морфологии и пористости, но способствует увеличению микротвердости.

Непрерывный спрос, а также уменьшение габаритных размеров внутрикостных имплантатов, предъявляет достаточно жесткие требования к биоматериалам современных имплантационных систем. При этом

функциональная надежность внутрикостных имплантатов может быть обеспечена путем применения покрытий из гидроксиапатита [49-57] и получения углеродных наноразмерных волокон [46].

Титановые имплантаты со сложной композиционной структурой покрытия, имеют наиболее близкие свойства с костной тканью, поскольку состав и структура покрытия максимально приближенна к костной ткани и имеет сходный химический состав, пористую и шероховатую поверхность [55, 57, 58].

Композиционная структура покрытия через некоторое время после установки в костную ткань резорбируется и замещается костной тканью. Однако композиционное покрытие имеет достаточно низкие физико-механические характеристики, что не позволяет широко использовать их, поскольку при высоких механических нагрузках происходит разрушение либо отслаивание нанесенного биологического покрытия, что приводит к образованию фиброзной прослойки вокруг имплантата, вследствие чего имплантат расшатывается и преждевременно выходит из строя, т.е. отторгается.

Однако серьезной проблемой в этом случае является не достаточная прочность, трещиностойкость покрытия имплантата, которая впоследствии приводит к отторжению имплантата. Опыт врачей имплантологов дентальных внутрикостных имплантатов показывает, что обеспечение назначенного ресурса функционирования внутрикостного имплантата и его скорости приживления, во многом зависит от биологической активности поверхности имплантата и физико-химических и механических свойств. Также важным фактором для эффективной остеоинтеграции внутрикостных имплантатов с кальций фосфатным покрытием, является то, что поверхность покрытия должна быть прочной и способной выдерживать нагрузки в период процесса формирования новой костной ткани в течение 2-3 месяцев. Нарушение границы контакта живая ткань -поверхность имплантата, приводит к смещению имплантата и, как

следствие, невозможность выполнения им своей функции. Учитывая определяющее влияние свойств поверхности биологического материала внутрикостных имплантатов на проблемы отторжения и снижения срока службы имплантатов в костной ткани, представляется актуальная задача определения причин отторжения и снижения срока службы имплантатов в условиях функционирования имплантатов.

Исследование физических механизмов по формированию заданного физико-механического, физико-химического и структурно-фазового состава в результате ионно-лучевой обработки ускоренными ионами с различными технологическими режимами, осуществлялось применительно к технически чистому титану марки ВТ 1-0, ВТ 1-00 и электроплазменному покрытию гидроксиапатита. Указанные материалы используются для изготовления медицинских изделий, в том числе внутрикостных имплантатов. Одним из наиболее эффективных методов улучшения биоактивных свойств титана является нанесение биоактивного покрытия из различных биоактивных материалов, в том числе гидроксиапатита кальция Са10(РО4)6(ОЫ)2.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1

Несмотря на ряд работ, выполненных по исследованию модифицированных поверхностей внутрикостных имплантатов методом ионной имплантации для технически чистого титана марки ВТ1-0 и ВТ1-00, а также электроплазменных покрытий, такие исследования сегодня отсутствуют. Данное обстоятельство не позволяет прогнозировать изменения структурно-фазового и элементного состава поверхности, физико-механических свойств и, как следствие, эксплуатационных свойств изделий - качества и долговечности.

Выполненный анализ научно-технической информации по повышению эксплуатационных свойств конструкционных материалов путем ионного модифицирования показал, что выбор соответствующих

режимов имплантации (сорт легирующего иона, энергия, доза) позволяют существенно увеличить сопротивление усталостному разрушению, повысить износо- и коррозионную стойкость, а также создать в поверхности слои, способствующие повышению биологической совместимости. Вместе с тем экспериментальные результаты, полученные в основном па единичных образцах, носят зачастую лишь частичный характер.

Анализ причин дефектов и преждевременного разрушения внутрикостных имплантатов в условиях функционирования, показал что разрушение, как правило, начинается с поверхности, либо в тонком приповерхностном слое и обусловлено в подавляющем большинстве случаев технологией изготовления. Финишно-упрочняющие методы окончательной обработки, воздействие пучками заряженных частиц, а также защитные покрытия приводят к существенному изменению физико-химическому состояния биоматериала поверхностного слоя, в значительной степени отличающегося от исходного материала. Отсутствие по данному вопросу необходимых теоретических и эксперментальных данных создает трудности в прогнозировании функциональных свойств биоматериалов.

Существующие в технологии производства внутрикостных имплантатов с биоактивными ГА покрытиями методы окончательной обработки поверхности являются недостаточно контролируемыми, не обеспечивают стабильное физико-химическое состояние поверхностного слоя и, как следствие, низкие функциональные свойства и недостаточную надежность изделия в целом.

Низкие функциональные свойства биоактивных покрытий внутрикостных имплантатов обусловлены недостаточной адгезионной и когезионной прочностью, трещиностойкостыо при нормальных температурах, а также отрицательным влиянием покрытий на конструктивную прочность.

Известные исследования по влиянию ИИ на прочность выполнены лишь на образцах отдельных конструкционных материалов. Увеличение прочностных свойств биоматериалов и биоактивных покрытий требует проведения исследований по влиянию ИИ на параметры твердости и коррозионной стойкости. Кроме этого необходимо изучение параметров суб и наноструктуры, химического и фазового состава и эксплуатационных свойств. Неизученность прочностных и коррозионных свойств ионно-модифицированного состояния, в т.ч. в сочетании с биоактивными ГА покрытиями не позволяет установить границы их рационального использования.

Исходя из анализа теоретических и экспериментальных исследований выдвинута гипотеза о возможности повышения физико-механических характеристик биоактивных электроплазменных ГА покрытий, за счет формирования структуры в виде вытянутых зерен ориентированных вдоль оси действия эксплуатационных нагрузок и поперек направления движения диффузионных потоков между покрытием и основой путем обработки потоком ускоренных ионов, а также формирования в поверхностном слое биоактивного углеродного покрытия за счет введения в рабочую камеру смеси углеродсодержащих газов.

Заключение диссертации по теме «Электротехнология», Муктаров, Орынгали Джулдгалиевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в улучшении физико-механических и структурных свойств электроплазмепного покрытия и титана. Обобщая результаты экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:

1. Обосновано применение технологий ионной обработки ускоренными ионами азота при изготовлении изделий из титана и электроплазменных покрытий, применяемых в различных областях промышленности.

2. Разработан способ обработки титана и электроплазмепного гидроксиапатитового покрытия высокоэнергетическими ускоренными ионами азота, отличающийся тем, что конструкция приемного устройства установки ионной имплантации содержит устройство ввода углеродсодержащей смеси газов СОг и СН4.

3. Экспериментально установлено, что обработка в углеродсодержащей смеси газов СО2 и СН4 ускоренными ионами азота с энергией Е = 100 ^ 110 кэВ и дозой Ф = 1,2-Ю16-^- 1,8-1016 ион/см2 приводит к образованию на поверхности титана и электроплазменного покрытия углеродных наноструктур в виде волокон строго и свободно ориентированной формы. Это приводит к значительному увеличению микротвердости для титана от 5,4 до 13 ГПа (до 260 %) и электроплазменного покрытия от 5,4 до 8,3 ГПа (до 53 %). В результате проведенного элементного анализа поверхности титана методом вторично-ионной масс-спектрометрии, обработанной ускоренными ионами азота в диапазоне доз облучения Ф = 1,2-1015 6-1016 ион/см2, установлена зависимость увеличения микротвердости и коррозионной стойкости от относительного возрастания содержания атомов углерода на поверхности титана.

4. Разработан технологический процесс обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей газовой смеси электроплазменных гидроксиапатитовых покрытий и титана, который позволяет значительно увеличить твердость материалов и коррозионную стойкость.

5. Выполненные исследования процесса облучения ускоренными ионами азота титана и электроплазменного покрытия в углеродсодержащей среде позволили глубже понять механизм процесса и предложить технологию обработки материалов с использованием разработанной конструкции приемного устройства в технологическом процессе изготовления внутрикостных титановых имплантатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Муктаров, Орынгали Джулдгалиевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Гусева М.И. Ионная имплантация в неполупроводниковые материалы. Итоги науки и техники, раздел Физические основы лазерной и пучковой технологии». Т. 5, М, 1989, с. 5-49

2. Рисел X. Руге И. Ионная имплантация. М.: Мир, 1983, 360 с.

3. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. - Новосибирск: Наука, 1990. - 306 с.

4. Люкке К., Готтштейн Г. Атомные механизмы пластичности металлов. Статистическая прочность и механизмы разрушения сталей. Дюссельфорд. 1986. С. 14-35.

5. Панин В.Е. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск. Наука. 1990. - 255 с.

6. Паршин A.M. Структура, прочность и радиационная повреждаемость коррозионно-стойких сталей и сплавов. Челябинск. Металлургия. 1989. -656 с.

7. Фазовые превращения при облучении. Под ред. Нолфи Ф.В. -Челябинск: Металлургия. 1989. - 312 с.

8. Диденко А.Н., Шаркеев Ю.П., Пушкарева Г.В., Микроструктура приповерхностных слоев меди и железа после ионной имплантации азотом и углеродом. Сборник «Субструктура и механические свойства металлов и сплавов». Томск, 1988. С. 12-19.

9. Шаркеев Ю.П., Диденко А.Н., Рябчиков А.Н. Роль напряжений в формировании микроструктуры чистых металлов при ионной имплантации. ТЗ. С. 36-37.

10. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. - М.: Металлургия, 1990,216 с.

11. Vardiman R.G., Greighton D. The Effect of ion implantation on tretting fatique in TÍ-6AI-4V. In: Ion implantation for material processing. Universitet of Missoum. USA. 1982, p.165-192

12. Potter D.I., Ahmed M. Micro structural development during implantation of metals // Ion Implantation and Ion Beam Processing of Materials / Editors: Hubres G.K. 1984. - p. 117-126.

13. Ионная имплантация. Под ред. Хирвонена Д. -М.: Металлургия, 1985. -391 с.

14. Ягодкин Ю.Д. Ионно-лучевая обработка металлов и сплавов. Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. «Металловедение и термообработка», -1990, с. 167-221

15. Белый A.B., Симонов A.B., Ших С.К.// Применение ионного легирования для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и оборудования. БелНИИНТИ. Минск. 1985. - 255 с.

16. Владимиров В.Г., Гусева М.И., Напольнов А.Н. и др. Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин и приборов. М.: МДНТП, 1984. С. 48 - 57.

17. Picraux S.T. // Ann. Rev. Mater. Sei. 1984. V.14. p.335-372.

18. Перри Дж.А., Ионная имплантация титановых сплавов, используемых в качестве биоматериалов и для других целей. I. Aurface Engineering, 1987, v.3, №2, p.154-160.

19. Васильев В.Ю., Исаев Н.И., Гусева М.И. и др. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1984. №5. С. 144 - 147.

20. Баянкин В.Я., Владимиров Б.Г., Гусева М.И., и др. // Защита металлов. 1987. №3. С. 487-492.

21. Lu H., Su H., Yango О. Влияние имплантации ионов N, В, Cr и Mo на коррозию и микротвердость чистого железа. // Хэ цзижу. Tech 1988. №3. С. 15-17.

22. Pons M., Caillet M., Galerie A. Oxadation of ion-implantable titanium in the 750-950 С temperature range //1. Less-Common Metals. 1985. p.45-46.

23. Ягодкин Ю.Д., Сулима A.M., Шулов B.A. Влияние ионного легирования на жаростойкость сплавов на основе Ni и Ti // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. №10. С. 37-43.

24. Sampath W.S., Wei R. High current density ion implantation. I. Metals. 1987.№4. p. 17-19.

25. Kuiore A., Chakrabortty S., Strarke E. Nukl. Inst. And Meth. In Phys. Res. B. 1982. V. 182/183. p.949.

26. Полещенко K.H. Физико-механические явления при резании титановых сплавов имплантированным инструментом. Автореферат канд. дисс. Томск. 1990. - 22 с.

27. Балашов Б.Ф., Петухов А.Н., Архипов А.Н. Усталостная прочность титанового сплава ВТ9 при нормальной и повышенной температурах в связи с различными видами поверхностного упрочнения. 1976. - 34 с.

28. Кудрявцев И.В. Упрочнение деталей машин поверхностным пластическим деформированием. Вестник машиностроения. 1977. №3. С. 17-21.

29. Технологические остаточные напряжения. Под ред. проф. A.B. Подзея. М.: Машиностроение. 1973. - С. 243.

30. Иванов Ю.И. влияние метода окончательной обработки на формирование остаточных напряжений и эксплуатационные свойства лопаток. Методы повышения эффективности использования режущих инструментов при обработке деталей летательных аппаратов и двигателей. Куйбышев: КуАИ. 1986. С. 122-126.

31. Владимиров В.Г., Гусева М.И., Иванов С.М. и др. // Поверхность. Физика, химия, механика. №8, 1983, С. 123-128.

32. Владимиров В.Г., Гусева М.И., Федоров A.B. и др. // Поверхность. Физика, химия, механика. №7, 1982, С. 139-147.

33. Никитин A.A., Травина Н.Т., Гусева М.И. и др. // Поверхность. Физика, химия, механика. №7. 1988. - С. 101-107.

34. Grant W.A., Y. Vac. Tech. 1988. p. 1644-1647.

35. Гусева М.И., Носков A.H., Сулима A.M. и др. Ионное легирование жаропрочных сплавов для лопаток ГТД. Авиационная промышленность. №5. 1988.-С.65.

36. Kan I.G., Kochman R.F. The effect of nitrogen and boron ion implantation on cyclic deformation response in Ti-24V alloy // Mater. Sci. and Eng. 1987. p.317-325.

37. Hartley N.E.N. Tribologigal Effects in ion implanted Metals: Applications of ion Beams to Materials. Serino.28. 1978. p. 102-124.

38. Dearnaley G. //Nucl. Instrum. and Meth. 1981. Vol. 182/183. p. 899-914.

39. Заболотный B.E., Квядарас В.П., Махлин B.A. и др. Влияние ионной имплантации на циклическую прочность лопаток для двигателя // Физика и химия обработки материалов. №5. 1985. С. 138-140.

40. Владимиров Б.Г., Гусева М.И., Попова Г.Н. // Труды ЦНИИИФ. №39. Л.: Транспорт. 1987. С. 72-79.

41. Milic М. The influence of the physicochemical characteristic of the substrate surface on the deposited TiN films properties // Thin Solid Films. 1988. p. 309-316.

42. Муктаров О.Д. Механизмы влияния ионной имплантации химически инертной примеси при создании наноразмерного состояния материалов / И.В. Перинская, В.Н. Лясников, В.В. Перииский, О.Д. Муктаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (53). Вып. 2. С. 56-61.

43. Catledge S.A., Fries М. Nanostructured Surface Modification for Biomedical Implants//Encyclopedia of Nanotechnology. 2003. vol. 10, p. 1-22

44. Ahn E.S., Gleason N.J. The Effect of Zirconia Reinforcing Agents on the Hydroxyapatite-Based Nanocomposites// Journal of the American Ceramic Society. 2005. vol. 88, p. 3374-3379.

45. Путляев В.И. Современные биокерамические материалы /Соросовский образовательный журнал, т. 8, № 1, 2004.

46. Углеродные нанотрубки позволят создать улучшенные имплантаты. Томас Уэбстер. [e-mail] 02.10.2007,2 с.

47. Перинская И.В. Механизмы влияния ионной имплантации на химическую активность металлов / И.В. Перинская, В.Н. Лясников // Технология металлов. - 2009. - № 8. - С. 22-25.

48. Перинская И.В. Ионно-лучевая пассивация меди / В.В. Перинский, И.В. Перинская // Технология металлов. - 2008. - №11.- С. 31-34.

49. Фомин A.A. Плазменно-индукционное нанесение покрытий с улучшенными параметрами биосовместимости при изготовлении дентальных имплантатов. Автореферат канд. дисс. Саратов. 2008. - 16 с.

50. Лясникова A.B. Стоматологические имплантаты. Исследование, разработка, производство, клиническое применение / A.B. Лясникова и др. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - 254 е.;

51. Лясникова A.B. Биосовместимые материалы и покрытия нового поколения: особенности получения, наноструктурирование, исследование свойств, перспективы клинического применения / A.B. Лясникова и др. -Саратов: Научная книга, 2011. - 220 с.)

52. Лясникова A.B. Материалы и покрытия в медицинской практике / В.Н. Лясников, A.B. Лясникова, Т.Г. Дмитриенко. - Саратов: Научная книга, 2011.-300 е.).

53. Лясникова A.B. Обоснование и реализация комбинированной механической и физико-химической обработки титановых деталей в ультразвуковом поле с учетом электроплазменного напыления

композиционных покрытий: дис.....докт. техн. наук. - Саратов, 2009. -

320 е.).

54. Стоматологическая имплантология / Иванов С.Ю., Бизяев А.Ф., Ломакин М.В., Панин A.M. // Москва. 2000

55. К.Г. Бутовский, A.B. Лясникова, A.B. Лепилин, Р.П. Пенкин, В.Н. Лясников // электроплазменное напыление в производстве внутрикостных имплантатов: Саратов. 2006. 200 с.

56. Муктаров О.Д. Вариант моделирования методом молекулярной динамики изменения структуры и напряжённого состояния в материале при

энергетическом ионном воздействии / B.B. Перинский, И.В. Перинская, О.Д. Муктаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (53). Вып. 2. С. 61-66.

57. Лясников применение плазменного напыления в производстве имплантатов для стоматологии. - Саратов: Сарат.гос.техн.уи-т, 1993. -40с.

58. Баринов С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / С.М. Баринов, B.C. Комлев. -М.: Наука, 38-50 с.

59. Олесова В.Н. Экспериментально-клиническая и биомеханическое обоснование выбора имплантата в клинике ортопедической стоматологии: Дис. каид.мед.наук - Пермь, 1986.

60. Сплавы титана и перспективы их применения в стоматологии. -Пермь: Изд-во Перм.мед.ин-та, 1986.

61. Муктаров О.Д. Синтез наноструктурных форм на поверхности титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия ионно-лучевой обработкой / И.В. Перинская, В.Н. Лясников, В.В. Перинский и др. // Перспективные материалы. 2013. №8. С. 63-67.

62. Муктаров О.Д. Ионно-лучевая технология наноструктурирования гидроксиапатитовых плазмонапыленных покрытий / В.Н. Лясников, О.Д. Муктаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 2 (66). Вып. 2. С. 92-96.

63. Муктаров О.Д. Исследование влияния ионной имплантации азота при создании наномодифицированной поверхности титановых дентальных имплантатов / В.Н. Лясников, О.Д. Муктаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 2 (66). Вып. 2. С.96-102.

64. Бочвар A.A. Металловедение М.: Металлургия, 1956. - 497 с.

65. Солонина О.П., Глазунов С.Г. Жаропрочные титановые сплавы. М. Металлургия, 1976, 448с.

66. Кричевер Е.И. Влияние низкотемпературной имплантации азота на субструктуру твердых сплавов. «Физика и химия обработки материалов», №3, 1990, 25-27С.

67. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. Под ред. Поута Дж. - М.: «Машиностроение». -1987, 424с.

68. Влияние ионного легирования и шероховатости поверхности на биосовместимость никелида титана / Л.Л. Мейснер, А.И. Лотков, В.А. Матвеева, Л.В. Артемьева, С.Н. Мейснер, А.Л. Матвеева // тезисы докладов межд. конф. по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. Томск, 2011. С.382-383

69. Экспериментальное изучение биосовместимости дентальных имплантатов из никелида титана с модифицированной поверхностью / Л.Л. Мейснер, И.В. Никонова, М.В. Котенко, В.В. Снежко, А.Б. Мамытова, Д.С. Тюнин // Вестник НГУ. Серия: Биология, клиническая медицина. 2009. Том7, Выпуск 3.

70. Коррозионная стойкость и биосовместимость никелида титана с обогащенным титаном наноразмерными поверхостными слоями, сформированными ионно- и электронно-лучевыми методами / Л.Л. Мейснер, И.В. Никонова, В.В. Раздорский, М.В. Котенко // Перспективные материалы. 2009. Вып. №2. С.32-44.

71. Влияние модифицирования ионами кремния поверхостных слоев никелида титана на его коррозионную стойкость в искусственных биологических средах / С.Г. Псахье, А.И. Лотков, Л.Л. Мейснер, С.Н. Мейснер, А.П. Ильин, П.В. Абрамова, А.В.Коршунов, В.П.Сергеев, А.Р.Сунгатулин // Известия Томского политехнического университета, 2012, Т. 321, №З.С.21-27.

72. Разработка новых методов модифицирования поверхности титановых сплавов медицинского назначения с целыо улучшения их физико-механических свойств и биосовместимости / И.И. Вегера, Э.Г. Биленко,

Г.И. Новик, A.B. Ижик, A.B. Сидоренко // Молодежь в науке: приложение к журналу «Becu,i Нацыянальнай акадэмн навук БеларусЬ).4.5. 2011. С.55-62

73. К вопросу о ионной технологии конструкционных материалов / Смыслов A.M., Маслова Л.И., Новикова М.К. // Межвузовский сборник «Прочность элементов авиационных конструкций». УАИ. Уфа. 1987. С.136-140

74. Корнилов И.И. Титан. Источники, составы, свойства, металлохимия и применение. М.: Наука. 1975. 310 с.

75. Молчанова Е.К. Диаграммы состояния титановых сплавов. - М.: Машиностроение. 1964. 392 с.

76. Сулима A.M. Деформационное упрочнение и усталостная прочность деталей и сплавов. В сб. «Повышение эксплуатационных свойств деталей поверхностным и пластическим деформированием». М.:МДНТ0.1971. С.З-9.

77. М. Kakati, В. Bora, S. Sarma, B.J. Saikia, Т. Shripathi, U. Deshpande, Aditi Dubey, G. Ghosh, A.K. Das // Vacuum. 2008. № 82. C. 833-841

78. Тетельбаум Д.И. 50 лет исследований в НИФТИ ННГУ в области физических проблем ионной имплантации // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010. № 5 (2). С. 250-259.

79. Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Черняева Т.П. Радиационные дефекты и распухание металлов. - Киев: Наукова думка, 1988. - 296 с.

80. Инзарцев Ю.В. Повышение эксплуатационных характеристик инструмента методом ионной имплантации азота. Дисс. канд. техн. наук. / Тульский Государственный Университет - Тула. -2002. -129 с.

81. Лейман К. Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов: Пер. с англ.-М.: Атомиздат, 1979. 296 с.

82. Константы взаимодействия металлов с газами: Справ, изд. Коган Я.Д., Колачев Б.А., Левинский Ю.В. и др. - М.: Металлургия, 1987. - 368 с.

83. Бериш Р. Распыление твёрдых тел ионной бомбардировкой. М.: Мир, 1986. Т. 2. 484 с.

84. Баранов И.А., Мартыненко Ю.В., Цепелевич С.О., Явлинский Ю.Н. Неупругое распыление твёрдых тел ионами // УФН. 1988. Т. 156. С. 477511.

85. Погребняк А.Д., Ремнев Г.Е., Чистяков С.А., Лигачёв А.Е. Модификация свойств металлов под действием ионных пучков // Изв. ВУЗов. Физика. 1987. №1. С. 52-65.

86. Вельский Е.И., Ситкевич М.В., Понкратин Е.И., Стефанович В.А. Химико-термическая обработка инструментальных материал ов.-Мн.: Наука и техника, 1986.-247 с.

87. Теория и технология азотирования / Лахтин Ю.М., Коган Я.Д, Шпис Г.И., Бемер 3. - М.: Металлургия, 1991, 320с.

88. Муктаров О.Д. ИК - спектроскопическое исследование поверхности титана типа ВТ 1-00, облученного ускоренными ионами азота / О.Д. Муктаров, В.В. Перинский, В.Н. Лясников и др. // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений: сб. науч. тр. Тольятти, 2011. С.201-202.

89. Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Черняева Т.П. Радиационные дефекты и распухание металлов. - Киев: Наукова думка, 1988. - 296 с.

90. Синебрюхов A.A., Харлов A.B., Бурков П.В. Исследование модификации поверхности быстрорежущей стали под воздействием ионного пучка// Материалы международного научно-технического симпозиума Славянтрибо-4. Трибология и технология. С.-Пб. 1997, Т. 1. с.74-77.

91. Диденко А.Н., Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Ночевная H.A. Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Свердловск: ГКНТ СССР, 1991. Т. 3. С. 3.

92. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. - Новосибирск: Наука, 1990. 306 с.

93. Готт Ю.В., Явлинский Ю.Н. Взаимодействие медленных частиц с веществом и диагностика плазмы. М., 1973.

94. Васильева Е.В. Влияние имплантации ионов азота и углерода на стойкость подшипниковой стали // Физика и химия обработки материалов №1.- 1989. с. 43-48.

95. Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Черняева Т.П. Радиационные дефекты и распухание металлов. - Киев: Наукова думка, 1988. - 296 с.

96. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. - Новосибирск: Наука, 1990. 306 с.

97. Константы взаимодействия металлов с газами: Справ, изд. Коган Я.Д., Колачев Б.А., Левинский Ю.В. и др. - М.: Металлургия, 1987. - 368 с.

98. Погребняк А.Д., Ремнев Г.Е., Чистяков С.А., Лигачёв А.Е. Модификация свойств металлов под действием ионных пучков // Изв. ВУЗов. Физика. 1987. №1. С. 52-65.

99. Инзарцев Ю.В. Повышение эксплуатационных характеристик инструмента методом ионной имплантации азота. Дисс. канд. техн. наук. / Тульский Государственный Университет - Тула. -2002. -129 с.

100. Пирко Т., Пирси П. Ионная имплантация. В мире науки. 1985. №5. С. 50-58.

101. Белый A.B., Ших С.К. Ионно-лучевое легирование и фрикционные свойства металлов и сплавов // Трение и износ. 1987. Т.8, №2. С. 330-343

102. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. М.: Высш. Шк., 1984. -320 с.

103. Перри Дж.А., Ионная имплантация титановых сплавов, используемых в качестве биоматериалов и для других целей. I. Aurface Engineering, 1987, v.3, №2, р.154-160.

104. Burakowski T. Ion implantation in metals. Prace Institutu Lotwictwa, Warszawa, 2-3/, 1990, p. 5-50/

105. Dearnaley G.: Ion implantation. "North Holland Pabl.", Amsterdam, 1983, 139 s.

106. Dearnaley G.: Ion implantation and ion assisted coating of metals, "I. Vac. Sci. Technol.", A, 1985, v.3, nr 6, s.2684-2690.

107. Ion-beam interactions with matter: Proc. Of the Int. Symp. Appl. Of Ion Beams Produced by Small Asccelerators., Iinan, 1987. Vakuum.1989, - №2-4, s. 1-43 8 (P/Mem, 1989, 10E195)

108. Ion-beam modification of materials: Proc. 6th. Int. Conf. Tokyo, 12-17 Yune, 1988 (P.Mem,1989, 10E195)

109. Ion implantation technolodgy: Proc. 7th Int. Conf. Kyoto, 7-10 Yune, 1988 (P.Mem, 1989. 8E200)

110. Ионно- лучевая модификация материалов. Всес. НТК Каунас, тезисы докладов, 1989, 233с.

111. Международная конференция по электронно-лучевым технологиям.

30. 5-4,6, 1991, Варна, Болгария, 682 с.

112. «Радиацианная физика твердого тела» Первое международного совещания стран СЭВ 15-23.10. 1989, Сочи, 140 с.

113. Международная конференция по электронно-лучевым технологиям.

31. 5-4, 6, 1988, Варна, Болгария, 593с.

114. Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц: 1 всес. НТК, Томск, 16-18.11. 1988, секция 3. 189 с.

115. Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц:11 Всес. НТК, Свердловск, 21-2,5, 1991, Т. 1-3

116. Smidt F.A. Navy manufacturing technology program on ion implantation. Mfter. Sci and Eng. - 1987. -90, p.385-397(P.Mem 1988, 1.995)

117. Dearnaley G. //Nucl. Instrum. AndMeth. 1981. Vol. 182/183, p. 899-914

118. Grant W.A. // Science Progress. 1976.vol.63, №299, p.27

119. Valori R. // ASME Trans. Ser. F. 1983. Vol/105. №4, p.30-39

120. Dearnaley G //Thin Solid Films. 1978. Vol.54, № 2, p.215-232

121.Fromson R.E., Kossowsky R., Metastable Materials Formation Ion Implantation. Boston, Massachusets, November, 1981, №4, 1982, p. 355-362

122. Dearnaley G. - Journal of Vetals, 1982, №9, p. 18-28

123. Vardiman R.G., Greighton D. The Effect of ion implantation on tretting fatique in Ti-6AI-4V. In: Ion implantation for material processing. Universitet of Missoum. USA. 1982, p. 165-192

124. Попов В.Ф. Ионно-лучевые установки. JI.: Энергоиздат, 1981, 136с

125. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. -Киев: Наук. Думка. 1983, -232

126. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления. / Патон Б.Е., Строганов Г.В., Кишкин С.Т. и др. -Киев.: Наук.думка, 1987, -256 с.