Задание функциональных свойств TiNi сплавам в процессе ионно-плазменного осаждения покрытий

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.

никелид титана, биосовместимость, мартенситные превращения, термообработка, ионно-плазменное осаждение, ионный поток, потенциал смещения, подложка

1. Гюнтер, В. Э. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения / В. Э. Гюнтер. – Томск: Изд-во МИЦ, 2006. – 296 с.

2. Temenoff, J. S. Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science / J. S. Temenoff, A. G. Mikos. – Pearson Prentice Hall, 2008. – 504 p.

3. 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.

4. 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-d

5. Evaluation 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.820280508

6. Foundations 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.

7. 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.

8. Будилов, 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.

9. Барвинок, В. А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий / В. А. Барвинок. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.

10. 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.2018.04.45727.2428

11. Лойко, 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.

12. 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.

13. Применение материалов с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине: справочно-библиографическое издание / сост. С. А. Муслов. – М.: Фолиум, 2007. – 328 с.

14. 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.2010.02.019