Защитные покрытия заданной структуры на титановых изделиях сделают прочнее

Материаловеды из Саратова разработали метод создания защитных танталовых покрытий на титане, который позволяет проконтролировать состав, структуру и свойства создаваемого слоя и добиться его большей механической прочности.

Разработка может применяться в медицине для создания биосовместимых имплантатов, а также для защиты титановых деталей техники, работающей в агрессивных средах, например морских судов и автомобильных двигателей, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Титан и его сплавы широко используются в медицине, авиации и энергетике благодаря легкости, прочности и устойчивости к коррозии — химическому разрушению. Однако в экстремальных условиях — при высоких температурах или в агрессивных средах, содержащих кислоты, серу и другие химически активные вещества, — даже титан нуждается в дополнительной защите. 

Один из перспективных материалов для защитных слоев — тантал, поскольку он химически стабилен, долговечен и биосовместим. Чаще всего танталовые покрытия наносят путем распыления материала в плазме или спекания под действием лазера. Однако эти подходы требуют сложного оборудования и не всегда обеспечивают равномерное покрытие, поэтому ученые ищут более эффективные технологии.

Материаловеды из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. (Саратов) предложили формировать танталовые покрытия на титане методом электроискрового нанесения. Этот подход заключается в том, что на материал (в данном случае титан) с электрода, проводящего ток, подают короткие электрические разряды, которые заставляют материал электрода равномерно осаждаться в виде капель на обрабатываемую поверхность. Так, если электрод сделать из тантала, то на титане сформируется танталовое покрытие. 

Эту процедуру авторы провели в герметичной камере при нормальном и пониженном давлении в атмосфере воздуха или аргона, используя систему позиционирования с числовым программным управлением, а также системы визуального контроля за процессом. Использование системы позиционирования позволило равномерно перемещать электрод относительно образца и формировать локально, по заданной траектории, покрытия, состоящие из отдельных капель тантала.

В результате авторы получили танталовые покрытия толщиной от 3,6 до 22 микрометров. Ученые исследовали их химический состав и выяснили, что покрытия, сформированные в воздушной среде, содержали большое количество кислорода (17–47% от остального состава) и азота (2–4%). 

Концентрацию этих элементов важно учитывать, поскольку создаваемые ими оксиды и нитриды повышают твердость и износостойкость наносимых слоев, но при этом препятствуют дальнейшему росту толщины покрытия, делают его более хрупким и менее устойчивым к коррозии, а также снижают биосовместимость материала. При этом микротвердость полученных в воздушной среде образцов составила 5,4–12,3 гигапаскалей. Это значит, что материал способен выдерживать давление, примерно в 5000–10000 раз выше атмосферного.

Использование среды аргона позволило снизить содержание кислорода до 18–41% и азота до 1,65–2,2%. Микротвердость покрытий, сформированных в таких условиях, оказалась ниже — 5,3–9 гигапаскалей, однако этих показателей достаточно для большинства потенциальных применений, например создания имплантатов. Таким образом, аргонная атмосфера позволяет получать покрытия с более предсказуемыми свойствами, что важно для высокотехнологичных применений.

«Наш метод позволяет не только улучшить свойства танталовых покрытий, но и делает процесс их нанесения более управляемым. Совершенствование их производства важно, поскольку тантал — тугоплавкий и коррозионностойкий биосовместимый металл, перспективный для технического и медицинского применения, в частности создания имплантатов индивидуальной конструкции с заданными параметрами структуры. В дальнейшем мы планируем расширить диапазон условий, при которых формируются покрытия, попробовать наносить другие материалы, а также сформировать аналогичные слои на цилиндрических поверхностях. Возможно, полученные результаты станут основой для нового метода получения 2D-структур, а в перспективе и метода аддитивного производства 3D-металлических объектов малого размера», — рассказал руководитель проекта Владимир Кошуро, кандидат технических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Индукционные, плазменные и лазерные технологии обработки материалов», доцент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.