danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2021-65-1-119-128dan-953Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESЗадание функциональных свойств TiNi сплавам в процессе ионно-плазменного осаждения покрытийSetting the functional properties of TiNi alloys during ion-plasma coating deposition processРубаникВ. В.RubanikV. V.

Рубаник Василий Васильевич – член-корреспондент, д-р техн. наук, заведующий лабораторией

пр. Генерала Людникова, 13, 210009, Витебск 

Rubanik Vasili V. – Corresponding Member, D. Sc. (Engineering), Head of the Laboratory

13, General Lyudnikov Ave., 210009, Vitebsk

ita@vitebsk.byБагрецД. А.BahretsD. A.

Багрец Дмитрий Александрович – науч. сотрудник

пр. Генерала Людникова, 13, 210009, Витебск 

Bahrets Dzmitry A. – Researcher

13, General Lyudnikov Ave., 210009, Vitebsk

Рубаник мл.В. В.Rubanik jr.V. V.

Рубаник Василий Васильевич (мл.) – д-р техн. наук, доцент, директор

пр. Генерала Людникова, 13, 210009, Витебск 

Rubanik Vasili V. (jr.) – D. Sc. (Engineering), Associate professor, Director

13, General Lyudnikov Ave., 210009, Vitebsk

УрбанВ. И.UrbanV. I.

Урбан Вадим Иванович – аспирант

пр. Генерала Людникова, 13, 210009, Витебск 

Urban Vadzim I. – Postgraduate student

13, General Lyudnikov Ave., 210009, Vitebsk

УжекинаА. Н.UzhekinaA. N.

Ужекина Анастасия Николаевна – мл. науч. сотрудник

пр. Генерала Людникова, 13, 210009, Витебск 

Uzhekina Anastasija N. – Junior researcher

13, General Lyudnikov Ave., 210009, Vitebsk

ДородейкоВ. Г.DorodeikoV. G.

Дородейко Вячеслав Геннадьевич – канд. техн. наук, директор

пр. Генерала Людникова, 13, 210009, Витебск

 

Dorodeiko Viachaslau G. – Ph. D. (Engineering), Director. 

13, General Lyudnikov Ave., 210009, Vitebsk

info@simurg.byИнститут технической акустики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Technical Acoustics of the National Academy of Sciences of BelarusМедицинское предприятие «Симург»Medical enterprise “Simurg”202125022021651119128Copyright © Рубаник В.В., Багрец Д.А., Рубаник мл. В.В., Урбан В.И., Ужекина А.Н., Дородейко В.Г., 20212021Рубаник В.В., Багрец Д.А., Рубаник мл. В.В., Урбан В.И., Ужекина А.Н., Дородейко В.Г.Rubanik V.V., Bahrets D.A., Rubanik jr. V.V., Urban V.I., Uzhekina A.N., Dorodeiko V.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/953

Работа посвящена исследованию влияния технологических параметров процесса ионно-плазменной обработки (ИПО) на функциональные свойства TiNi сплава с эффектом памяти формы и его биосовместимость. В качестве объекта исследования выбран сплав Ti–50,8 ат. % Ni, широко применяемый в медицинских изделиях и устройствах. Ионно-плазменную обработку осуществляли путем вакуумно-дугового испарения катода из титана при значениях потенциала смещения 0, –100 и –500 В с последующим осаждением защитно-декоративного TiN покрытия. Контрольную группу образцов подвергали термообработке при температурах 200–700 °С в течение 20 мин. Функциональные свойства TiNi сплава после ИПО исследовали методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Биосовместимые свойства оценивали методом атомно-эмиссионной спектрометрии, измеряя количество никеля в 0,9 %-ном растворе NaCl после выдержки в нем TiNi образцов с TiN покрытием. Установлено, что задавая температурный режим нагрева образцов из сплава Ti–50,8 ат. % Ni за счет технологических параметров процесса ИПО, можно менять интервал реализации термоупругих мартенситных превращений, а следовательно, и температуру срабатывания устройств, изготавливаемых из этого сплава, т. е. задавать им необходимые функциональные свойства. Сопоставительный анализ характеристических температур после термической и ионно-плазменной обработок позволил сделать вывод о корректности предложенного метода расчета температуры TiNi подложки при ИПО. Расчетная температура образцов TiNi при нулевом потенциале составила ~275 °С, что достаточно для смещения характеристических температур сплава. Осаждение при потенциале –100 В обеспечило нагрев подложки до ~400 °С, при –500 В – свыше 600 °С. Концентрация Ni в модельном растворе после годовой выдержки не превышала 0,14 мг/л, что свидетельствует о высокой биосовместимости TiNi сплава с TiN покрытием.

The aim of the present work is to study the influence of the technological parameters of the ion-plasma treatment (IPT) on the functional properties of a TiNi shape memory alloy and its biocompatibility. The object of the study was the Ti–50.8 at. % Ni alloy, widely applied in medical devices. IPT was carried out by vacuum-arc evaporation of a titanium cathode at different values of the bias potential (0, –100, and –500 V), followed by TiN deposition. The functional properties of the TiNi alloy after IPT were investigated using differential scanning calorimetry. The biocompatible properties were evaluated using atomic emission spectrometry to measure a nickel concentration after one year holding TiN-coated TiNi samples in the 0.9 % NaCl solution. It has been determined that by setting the temperature regime of heating of Ti–50.8 at. % Ni alloy samples due to the technological parameters of the IPT process, it is possible to change the interval of realization of thermoelastic martensitic transformations, and, consequently, the temperature response of devices made of this alloy, i. e. to set the necessary functional properties. The comparative analysis of the characteristic temperatures after heat and ion-plasma treatments allow us to conclude that the proposed method for calculation of the TiNi substrate temperature is correct at IPT. The calculated temperature of the TiNi samples was ~275 °C at the zero potential, which is sufficient to shift the characteristic temperatures of the alloy. The substrate temperature during deposition was ~400 °C at a – 100 V bias and above 600 °C at a – 500 V bias, respectively. The Ni concentration in the model solution did not exceed 0.14 mg/l after one year holding, which indicates the high biocompatibility of the TiN-coated TiNi samples.

никелид титанабиосовместимостьмартенситные превращениятермообработкаионно-плазменное осаждениеионный потокпотенциал смещенияподложкаtitanium nickelidebiocompatibilitymartensitic transformationsheat treatmention-plasma depositionion flowbias potentialsubstrateReferencesГюнтер, В. Э. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения / В. Э. Гюнтер. – Томск: Изд-во МИЦ, 2006. – 296 с.Gyunter V. E. Titanium nickelide. New generation medical material. Tomsk, MIC Publishing Houseб 2006. 296 p. (in Russian).Temenoff, J. S. Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science / J. S. Temenoff, A. G. Mikos. – Pearson Prentice Hall, 2008. – 504 p.Temenoff J. S., Mikos A. G. Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science. Pearson Prentice Hall, 2008. 504 p.Al-Waheidi, E. M. Allergic reaction to nickel orthodontic wire: a case report / E. M. Al-Waheidi // Quintessence Int. – 1995. – Vol. 26. – P. 385–387.Al-Waheidi E. M. Allergic reaction to nickel orthodontic wire: a case report. Quintessence international, 1995, vol. 26, pp. 385–387.Bass, J. K. Nickel hypersensitivity in the orthodontic patent / J. K. Bass, H. Fine, G. J. Cisneros // Am. J. Orthod. Dentofac. Orthop. – 1993. ‒ Vol. 103, N 3. – P. 280–285. https://doi.org/10.1016/0889-5406(93)70009-dBass J. K., Fine H., Cisneros G. J. Nickel hypersensitivity in the orthodontic patent. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 1993, vol. 103, no. 3, pp. 280–285. https://doi.org/10.1016/0889-5406(93)70009-dEvaluation of carcinogenecity and chronic toxicity associated with orthopedic implants in mice / K. Takamura [et al.] // J. Biomed. Mat. Res. – 1994. – Vol. 28, N 5. – P. 583–589. https://doi.org/10.1002/jbm.820280508Takamura K., Hayashi K., Ishinishi N., Yamada T., Sugioka Y. Evaluation of carcinogenecity and chronic toxicity associated with orthopedic implants in mice. Journal of Biomedtdical Materials Research, 1994, vol. 28, no. 5, pp. 583–589. https://doi.org/10.1002/jbm.820280508Foundations of heat and thermomechanical treatments and their effect on the structure and properties of titanium-nickelide based alloys / V. Brailovski [et al.] // Phys. Met. Metallogr. – 2004. – Vol. 97, N 1. – Р. 3–55.Brailovski V., Khmelevskaya I. Y., Prokoshkin S. D., Pushin V. G., Ryklina E. P., Valiev R. Z. Foundations of heat and thermomechanical treatments and their effect on the structure and properties of titanium-nickelide based alloys. Physics of Metals and Metallography, 2004, vol. 97, no. 1, pp. 3–55.Функциональные свойства ортодонтических сверхэластичных дуг из никелида титана с защитными покрытиями нитрида титана / В. В. Рубаник [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2019. – Т. 63, № 5. – С. 608–619. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2019-63-5-608-619.Rubanik V. V., Rubanik V. V. jr., Bahrets D. A., Dorodeiko V. G. Functional properties of superelastic orthodontic nickel-titanium archwires with protective titanium nitride coatings. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2019, vol. 63, no. 5, pp. 608–619 (in Russian). https://doi. org/10.29235/1561-8323-2019-63-5-608-619Будилов, В. В. Математическое моделирование процесса осаждения вакуумных ионно-плазменных покрытий / В. В. Будилов, В. С. Мухин, О. Б. Минаева // Изв. вузов. Авиационная техника. – 1995. – № 1. – С. 92–95.Budilov V. V., Muhin V. S., Minaeva O. B. Mathematical modeling of the process of deposition of vacuum ion-plasma coatings. Izvestiya vuzov. Aviacionnaya tekhnika = Russian Aeronautics, 1995, no. 1, pp. 92–95 (in Russian).Барвинок, В. А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий / В. А. Барвинок. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.Barvinok V. A. Stress state control and properties of plasma coatings. Мoscow, Mashinostroenie Publ., 1990. 384 p. (in Russian).Шагинян, Л. Р. Температура поверхности конденсации как инструмент для исследования механизмов формирования пленок / Л. Р. Шагинян, С. А. Фирстов, И. Ф. Копылов // Журн. техн. физики. – 2018. – Т. 88, вып. 4. – С. 578–586. https://doi.org/10.21883/jtf.2018.04.45727.2428Shaginyan L. R., Firstov S. A., Kopylov I. F. Condensation surface temperature as a means for studying film formation mechanisms. Technical Physics, 2018, vol. 63, no. 4, pp. 563–570. https://doi.org/10.1134/s1063784218040187Лойко, В. А. Исследование температурного режима подложки при нанесении вакуумно-плазменных покрытий на прецизионные детали сельскохозяйственной техники / В. А. Лойко, В. С. Ивашко // Опыт, проблемы и перспективы развития технического сервиса в АПК: в 2 ч.  Минск, 2009. – Ч. 1.  С. 352–358.Lojko V. A., Ivashko V. S. Investigation of the temperature regime of the substrate during the application of vacuum-plasma coatings on precision parts of agricultural machinery. Opyt, problemy i perspektivy razvitiya tekhnicheskogo servisa v APK. Ch. 1 [Experience, problems and prospects for the development of technical service in the agro-industrial complex. Iss. 2], Minsk, 2009, pp. 352–358 (in Russian)..Голубева, И. Л. Тепловое излучение твердых и жидких металлов / И. Л. Голубева, В. В. Сагадеев // Вестн. технолог. ун-та. – 2017. – Т. 20, № 2. – С. 31–32.Golubeva I. L., Sagadeev V. V. Thermal radiation of solid and liquid metals. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta = Technological University Bulletin, 2017, vol. 20, no. 2, pp. 31–32 (in Russian).Применение материалов с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине: справочно-библиографическое издание / сост. С. А. Муслов. – М.: Фолиум, 2007. – 328 с.Muslov S. A., ed. Application of materials with shape memory effect in science, technology and medicine: reference and bibliographic edition. Мoscow, Folium Publ., 2007. 328 p. (in Russian).Influence of Ni on martensitic phase transformations in NiTi shape memory alloys / J. Frenzel [et al.] // Acta Materialia. – 2010. – Vol. 58, N 9. – P. 3444–3458. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.02.019Frenzel J., George E. P., Dlouhy A., Somsen Ch., Wagner M. F.-X., Eggeler G. Influence of Ni on martensitic phase transformations in NiTi shape memory alloys. Acta Materialia, 2010, vol. 58, no. 9, pp. 3444–3458. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.02.019

The authors declare that there are no conflicts of interest present.