Ученые из Саратовского государственного технического университета имени Ю. А. Гагарина разработали сверхпрочное покрытие — комбинацию титановой основы со сверхтвердым танталсодержащим нанокомпозитом. В этом им помог новейший метод индукционно-термического вакуумного распыления. Покрытие может применяться при изготовлении различных видов медицинских изделий — например, имплантируемых конструкций или инструментов для стоматологии и хирургии. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Ceramics International, кратко о них рассказала пресс-служба фонда.
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
Саратовские ученые 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 %.
«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», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Александр Фомин, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия», ведущий научный сотрудник Саратовского государственного технического университета.