28 Фев

МИКРОТВЕРДОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СПЛАВА С ЭПФ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Введение

Нитинол широко признан как в медицине, так и в других областях человеческой деятельности, за счет присущих ему уникальных механических свойств (сверхэластичности, закону запаздывания, эффекту памяти формы) [1 — 5]. Однако под действием агрессивных сред, в т.ч. имеющихся в организме, он может подвергаться коррозионному разрушению, что приводит к выделению никеля, отрицательно воздействующего на организм, и повреждению изделий. Композиционный материал на основе нитинола и поверхностных слоев, обладающих высокой коррозионной стойкостью и биосовместимостью, будет лишен таких недостатков. При этом необходимо, чтобы механические свойствах композита не уступали исходному нитинолу. В качестве перспективного материала для поверхностных слоев можно рассматривать тантал и титан, которые наряду с очень хорошими показателями  биосовместимости, коррозионной и износостойкости, также обладают высокими механическими характеристиками в т.ч, твердостью [6 — 14].

Целью данной работы является исследование микротвердости одномерных композиционных материалов на основе наноструктурного нитинола с поверхностным слоем из Та и Ti.

Материалы и методики.

Одномерный композит «подложка из нитинола – поверхностный слой», получали на установке Torr International  с использованием метода магнетронного распыления [15 — 17] в газовой среде аргона при остаточном и рабочем давлениях ~ 4х10-4 Па и ~ 0,4 Па, соответственно. Магнетрон работал при дистанции напыления порядка 20 см на постоянном токе 860 мА при напряжении 700 В в течение различного времени распыления (5-120 мин на участок поверхности). Перед напылением подложки подвергались предварительному ионному травлению (очистка, активация и полировка поверхности при бомбардировке ионами аргона — ПИТ).

Использование для создания поверхностных слоев метода магнетронного распыления позволяет избежать перегрева подложки [17]. Для определения температуры на ее поверхности использовались специальные образцы-свидетели из материалов с различной температурой плавления: In (tпл 156,4 оС), Sn (tпл 231,9 оС),  Pb (tпл 327,4 оС), Zn (tпл 419,5 оС). Т.к. подплавления поверхности ни одного из металлов не наблюдали, сделали вывод, что температура на поверхности подложек при любом режиме не достигает 150 оС.

Использовали проволоку диаметром 280 мкм из наноструктурного нитинола состава 55,91 мас. % Ni – 44,03 мас.% Ti.

Для определения фазового состава использовали рентгеновский дифрактометр «Ultima IV» фирмы «Ригаку» с вертикальным гониометром и высокоскоростным полупроводниковым детектором “D/teX” в CuKα — излучении по методу Брегга — Брентано, а также методом косой съемки с фиксированным углом поворота рентгеновской трубки. Фазовый анализ образцов покрытий выполнен в программном комплексе PDXL с использованием базы данных ICDD.

Микротвердость определяли с помощью оснащенного оптическим микроскопом прибора WOLPERT GROUP 401/402 – MVD с компьютерным управлением. Испытания проводили по схеме  «микро-Виккерс», используя алмазный индентор размером 10 мкм и нагрузки в размере 100 – 200 гс. Эта схема соответствовала испытаниям на микротвердость H по ГОСТ 9450-76.  Проволочные образцы фиксировали специальной твердеющей смесью.

Результаты и обсуждение.

Рентгенофазовый анализ композитов показывает, что в зависимости от времени формируется две различные фазы тантала: β-Та (тетрагональная кристаллическая решетка, содержащая также небольшое количество кислорода) и α-Та (кубическая решетка). До 10 мин напыления основную фазу составляет нитинол, но наблюдается β-Та; до 20 мин преобладающей фазой является уже β-Та, но видно наличие и нитинола; на 29-й минуте основной пик отвечает уже α-Та, а β-Та и нитинол все еще есть на рентгенограмме за счет усреднения результатов по всей глубине исследования; при дальнейшем увеличении времени напыления сигнал α-Та является доминирующим. То есть при длительном времени распыления можно получить многослойную структуру «подложка – переходный слой –  β-Та –  α-Та». Зона альфа фазы тем толще, чем больше время распыления.

На рис. 1 показано соотношение микротвердости полученных композитов относительно наноструктурированной подложки нитинола, составлявшей 330 HV. Поверхность композиционного материала отличается большими значениями микротвердости по сравнению с основой, так как твердость и β-Та, и α-Та выше, чем у нитинола [6 – 14]. Более толстый поверхностных слой соответствует большим значениям H. В случае 30 мин осаждения увеличение твердости композита с поверхностным слоем из Та толщиной 1 мкм, состоящим из смеси альфа и бета фаз, составляет около 26 %.

Поверхностный титановый слой менее значительно влияет на изменение микротвердости наноструктурной основы, но все же повышает ее на 18 %.

При этом было отмечено, что во время предварительного ионного травления поверхности подложки осуществляется бомбардировка ионами аргона, способствующая удалению с поверхности оксидов и наклепанного слоя с остаточными поверхностными напряжениями и дефектами.  Видимо, этим объясняется некоторое понижение микротвердости образцов сразу после ПИТ.

Рис. 1. Соотношение микротвердости полученных композитов относительно наноструктурированной подложки нитинола

Заключение.

Исследованы образцы композиционных материалов на основе наноструктурного нитинола с нано- и микроразмерными слоями тантала. В зависимости от времени распыления тантал образуется в виде бета фазы или смеси бета и альфа фаз, причем содержание альфа-тантала тем выше, чем больше время распыления, а микротвердость композита тем больше, тем толще слой.

 

Библиографический список:

  1. Гюнтер В.О., Ходоренко В.Н., Ясенчук Ю.Ф., Чекалкин Т.Л. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения. – Томск: Изд–во МИЦ, 2006. – 296 с.
  2. Гюнтер В.Э., Итин В.И., Монасевич Л.А. и др. Эффекты памяти формы и их применение в медицине. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. – 742 с.
  3. Shabalovskaya S. On the nature of the biocompatibility and medical applications of NiTi shape memory and superelastic alloys. // Bio–Medical Materials and Engineering (Bio Med Mater Eng), – Vol. 6. – Р. 267 – 289.
  4. Заболотный В.Т., Белоусов О.К., Палий Н.А., Гончаренко Б.А., Армадерова Е.А., Севостьянов М.А. Материаловедческие аспекты получения, обработки и свойств никелида титана для применения в эндоваскулярной хирургии. //  Металлы, 2011. — №3. —  С.47-59.
  5. Petrini L., Migliavacca F. Biomedical Applications of Shape Memory Alloys // Journal of Metallurgy, 2011. – Vol. 2011. – Р. 1-15
  6. Zhou Y.M., Xie Z., Xiao H.N., Hu P.F., He J. Effects of deposition parameters on tantalum films deposited by direct current magnetron sputtering // Vacuum, 2009. — Vol. 83. – Р. 286–291
  7. Davoud Dorranian, Elmira Solati, Mohamadreza Hantezadeh, Mahmood Ghoranneviss, Amirhossein Sari. Effects of low temperature on the characteristics of tantalum thin films // Vacuum, 2011. – Vol. 86. – Р. 51 — 55
  8. Zhou Y.M., Xiea Z., Xiao H.N., Hu P.F., He J. Effects of deposition parameters on tantalum films deposited by direct current magnetron sputtering in Ar–O2 mixture // Applied Surface Science, – Vol. 258. – Р. 1699– 1703
  9. Zhou Y.M., Xie Z., Ma Y.Z., Xia F.J., Feng S.L. Growth and characterization of Ta/Ti bi-layer films on glass and Si (1 1 1) substrates by direct current magnetron sputtering // Applied Surface Science, 2012. – Vol. 258. – Р. 7314– 7321
  10. Arnaud Cacucci, Stéphane Loffredo, Valérie Potin, Luc Imhoff, Nicolas Martin. Interdependence of structural and electrical properties in tantalum/tantalum oxide multilayers // Surface & Coatings Technology, 2013. – Vol. 227. – Р. 38–41
  11. Navid A.A., Hodge A.M. Controllable residual stresses in sputtered nanostructured alpha-tantalum // Scripta Materialia, 2010. – Vol. 63. – Р. 867–870
  12. Sterling Myers, Jianliang Lin, Roberto Martins Souza, William D. Sproul, John J. Moore. The β to α phase transition of tantalum coatings deposited by modulated pulsed power magnetron sputtering // Surface & Coatings Technology, 2013. – Vol. 214. – Р. 38–45
  13. Navid A.A., Hodge A.M. Nanostructured alpha and beta tantalum formation—Relationship between plasma parameters and microstructure // Materials Science and Engineering A, 2012. – Vol. 536. – Р. 49– 56
  14. Zhang M., Yang B., Chu J., Nieh T.G. Hardness enhancement in nanocrystalline tantalum thin films // Scripta Materialia, 2006. – Vol. 54. – Р. 1227–1230
  15. Акишин А.И., Бондаренко Г.Г., Быков Д.В. и др. Физика воздействия концентрированных потоков энергии на материалы. – М.: Изд-во УНЦ ДО, 2004. 418 с.
  16. Заболотный В.Т. Ионное перемешивание в твердых телах. – М.: МГИЭМ(ТУ), 1997. 62 с.
  17. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн. Введение в физику и технику магнетронного распыления. – К.: Аверс, 2008. – 244 с.
    МИКРОТВЕРДОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СПЛАВА С ЭПФ
    Получены нано- и микроразмерные поверхностные слои тантала и титана на проволочных наноструктурных подложках NiTi. С увеличением времени распыления толщина поверхностного слоя нелинейно возрастает и происходит последовательное формирование β-Та и α-Та, толстый поверхностный слой проявляет повышение микротвердости на 26 %.
    Written by: Насакина Елена Олеговна, Ковалева Елена Дмитриевна, Бикбова Гульдар Нагимовна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 05/08/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)
    Available in: Ebook