ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ И МОРФОЛОГИИ ОКСИДНЫХ НАНОСЛОЕВ, СФОРМИРОВАВШИХСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ TINI СПЛАВА, НА КОРРОЗИОННЫЕ
СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ СЛОЕВ В БИОХИМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Литературный обзор 5
1.1 Методы модификации поверхности металлов и сплавов с использованием различных
источников энергии 5
1.1.1 Магнетронное осаждение покрытий 5
1.1.2 Электронно-пучковая обработка 6
1.1.3 Комбинированный способ обработки поверхности 8
1.2 Коррозионная стойкость TiNi сплава и факторы, влияющие на её повышение 9
1.3 Оксидные пленки на поверхности TiNi 12
2 Постановка задачи, материалы и методика эксперимента 16
2.1 Постановка задачи 16
2.2 Материал и методика эксперимента 16
2.2.1 Состав сплава и режимы обработки поверхности 16
2.2.2 Оптическая микроскопия 17
2.2.3 Оптическая профилометрия 18
2.2.4 Оже-спектроскопия 19
2.2.5 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 19
2.2.6 Просвечивающая электронная микроскопия 20
2.2.7 Коррозионные испытания 23
3 Экспериментальная часть 25
3.1 Особенности морфологии поверхности образцов TiNi после различных видов
обработки 25
3.2 Элементный состав оксидных пленок, сформированных в результате различных
финишных обработок поверхностей образцов из TiNi сплава 26
3.3 Структура оксидных пленок, сформированных в результате различных финишных
обработок TiNi подложек 33
3.4 Коррозионные свойства в биохимической среде оксидных пленок, полученных на
TiNi подложках с использованием различных финишных обработок 35
ВЫВОДЫ 38
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 39
Сплавы на основе никелида титана известны своими уникальными функциональными свойствами - эффектами памяти формы и сверхэластичности, которые обусловлены мартенситными превращениями при изменении внешней нагрузки и/или температуры [1 - 6]. За счет свойств, присущих данным сплавам, они нашли широкое применение во многих областях техники и медицины. Использование сплавов TiNi в медицине [3, 7], в частности для изготовления миниатюрных изделий (корзинки для извлечения камней из полых органов, сосудистые стенты и пр. [8]), размер которых составляет сотни микрометров, заставляет уделять повышенное внимание свойствам тонкого поверхностного слоя. При работе материала в агрессивных коррозионных средах (биологическая среда) необходимо контролировать выход ионов металлов в окружающую среду при деградации поверхностного оксидного слоя в процессе коррозии. Создание защитных барьерных, в том числе оксидных, слоев на поверхности TiNi сплавов, состоящих из химических устойчивых соединений, является актуальной проблемой современного медицинского материаловедения.
Существуют различные способы модификации поверхности металлов и сплавов, которые приводят к улучшению коррозионных свойств. Например, нанесение покрытий из коррозионностойких материалов (тантала, кремния, молибдена) [8 - 13]. Однако наличие границы раздела между покрытием и подложкой создает высокий риск его отслоения, в том случае, если данная обработка будет использована для медицинских изделий, подвергающихся постоянным циклическим нагрузкам. Другим методом, является электронно-пучковая обработка [14 - 23], применение которой не позволяет решить вопрос повышения рентгеноконтрастности и биосовместимости. Поэтому в настоящее время перспективным представляется использование комбинированного способа обработки поверхности металлов и сплавов, который включает в себя магнетронное осаждение покрытий и их импульсное плавление и перемешивание вместе с подложкой низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком [24 - 26]. Данный метод позволяет, с одной стороны, формировать поверхностный слой с заданными физико-химическими свойствами и структурой, отличающимися от материала подложки, с другой стороны, из-за отсутствия четкой границы между слоями, решить проблему адгезии покрытия [27 - 29].
Целью работы является исследование морфологии, структуры и коррозионных свойств в биохимических растворах оксидных нанослоев, сформировавшихся на поверхности TiNi сплава в результате электронно- пучкового легирования танталом и кремнием поверхностного слоя TiNi сплава.
1. Установлено, что электронно-пучковая очистка поверхности в режиме плавления тонкого (толщиной ~ 1 мкм) поверхностного слоя образцов TiNi сплава приводит к 4-х кратному повышению шероховатости поверхности по сравнению с исходным значением, что связано с формированием кратероподобного рельефа, инициированного частицами вторичных или примесных фаз, присутствующих в объеме исходного материала. В результате синтеза поверхностного TiNi-Ta30Si10 сплава поверхность образца характеризуется однородной морфологией и низкой шероховатостью, сопоставимой с шероховатостью «зеркальной» поверхности, достигнутой механической шлифовкой.
2. Установлено, что оксидные пленки, сформировавшиеся на поверхностях TiNi образцов после различных обработок, имея близкую толщину (7-10 нм), существенно различаются фазовым составом и атомной структурой. После электрохимической и электронно-пучковой очистки на поверхностях образцов формируются оксидные пленки с нанокристаллической структурой двухфазного состава {TiO2 + Ni2O3}. Различия этих пленок заключается в том, что после обработки образцов электронным пучком объемная доля фазы Ni2O3 в составе пленки заметно снизилась.
После синтеза поверхностного TiNi-Ta30Si10 сплава на поверхностях образцов формируется оксидная пленка с аморфной структурой многофазного состава {TiO2 + Ta2O5 + NiO + SiO2}.
3. Результаты коррозионных испытаний в биохимическом растворе Рингера- Локка при комнатной температуре показали, что наибольшую коррозионную стойкость имеют TiNi образцы с поверхностным TiNi-Ta30Si10 сплавом, у которых наблюдалось 10- кратный рост сопротивления коррозии по сравнению с исходными показателями образцов до облучения, а потенциал пробоя оксидной пленки достигнут не был: Ebr > 1200 мВ.
Сравнительно высокая коррозионная стойкость образцов TiNi сплава с исходной «зеркальной» поверхностью снизилась после электронно-пучковой очистки, что обусловлено ростом шероховатости поверхности образцов после их облучения.
