Влияние условий индукционно-термической обработки на свойства покрытий, сформированных методом электроплазменного напыления

  • Елена [Elena] Олеговна [O.] Осипова [Osipova]
  • Ольга [Olga] Анатольевна [A.] Маркелова [Markelova]
  • Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Фомин [Fomin]
  • Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Кошуро [Koshuro]
Ключевые слова: электроплазменное напыление, индукционно-термическая обработка, микротвердость, пористые титановые покрытия, элементно-фазовый состав, структура поверхности

Аннотация

На титановых образцах методом электроплазменного напыления сформированы пористые титановые покрытия с последующей индукционно-термической модификацией в воздушной атмосфере при температуре обработки 650…1250 °C и длительности 120 и 300 с. Слои, созданные методом электроплазменного напыления, состоят из зерен размером 9,9±0,5 мкм. В состав покрытия вошли оксиды TiO, Ti2O3 и TiO2 (анатаз), образовавшиеся в результате взаимодействия титана с газовой средой (остаточной воздушной атмосферой) в рабочем объеме установки. После низкотемпературной термической модификации отмечен рост размер структурных элементов до 12,5±0,4 мкм. Размер пор уменьшился с 12,9±0,2 до 7,5±0,3 мкм при токе индуктора 7,6 кА, а поверхностная пористость осталась на уровне 56…58%. Индукционная обработка покрытий привела к увеличению содержания кислорода в покрытиях с 49,6±9,2 до 71,7±1,1 ат. % и образованию на поверхности оксидного слоя, состоящего из призматичных наноразмерных кристаллов анатаза и рутила. В результате высокотемпературной термической модификации выявлены интенсивный рост и последующее отслоение окалины. Индукционно-термическая обработка повысила микротвердость покрытий с 1530±55 до 1825±191 HV0.98. Твердость плазмонапыленных покрытий и модифицированных при низкой температуре составила 82…88 HRF. Наибольшее значение данного параметра наблюдалось при высокотемпературной обработке108…115 HRF, при этом во время индентирования покрытие растрескивались, что связано с процессами формирования значительного по толщине слоя окалины. В результате статистической обработки определены регрессионные модели, описывающие влияние температуры и времени модификации электроплазменных покрытий на размер структурных элементов (зерен, пор) и твердость покрытий.

Сведения об авторах

Елена [Elena] Олеговна [O.] Осипова [Osipova]

ассистент кафедры материаловедения и биомедицинской инженерии Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., e-mail: lenusindra96@mail.ru

Ольга [Olga] Анатольевна [A.] Маркелова [Markelova]

доцент кафедры материаловедения и биомедицинской инженерии Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., e-mail: markelovaoa@bk.ru.

Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Фомин [Fomin]

доктор технических наук, заведующий кафедрой материаловедения и биомедицинской инженерии, проректор по стратегическому развитию Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., e-mail: afominalex@gmail.com

Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Кошуро [Koshuro]

кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и биомедицинской инженерии Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., e-mail: dimirion@mail.ru

Литература

1. Иващенко А.В., Яблоков А.Е., Марков И.И., Монаков В.А., Нестеров А.М. Особенности трофики костной ткани после установки дентальных имплантатов // Вестник медицинского института «РЕАВИЗ»: реабилитация, врач и здоровье. 2021. № 3(51). С. 79—84.
2. Бакалян В.Л. Использование съемных и несъемных временных конструкций в поэтапном ортопедическом лечении временными конструкциями // Вестник стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. 2015. Т. 12. № 1—2. С. 37—40.
3. Бартак В., Фулин П., Покорны Д., Сосна А. Результаты клинического применения тотального эндопротеза коленного сустава нового поколения с вращающимся вкладышем компании «BEZNOSKA S.R.O.» // Ортопедия, травматология, протезирование. 2012. № 1(586). С. 27—29.
4. Albrektsson T., Wennerberg A. On Osseointegration in Relation to Implant Surfaces // Clinical Implant Dentistry and Related Research. 2019. V 21. Pp. 4—7.
5. Chen Z. e. a. Influence of the Pore Size and Porosity of Selective Laser Melted Ti6Al4V ELI Porous Scaffold on Cell Proliferation, Osteogenesis and Bone Ingrowth // Materials Sci. and Eng. 2020. V. 106. P. 110289.
6. Фомин А.А., Фомина М.А., Пошивалова Е.Ю., Родионов И.В., Захаревич А.М., Скапцов А.А. Фазово-структурные и химические превращения на поверхности титана при плазменно-индукционном нанесении биокерамических покрытий // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11(3). С. 303—311.
7. Пат. № 2647968 РФ Способ формирования титановых пористых покрытий на титановых имплантатах / Фомин А.А., Фомина М.А., Родионов И.В., Кошуро В.А. // Бюл. изобрет. 2018. № 9.
8. Zhecheva A., Sha W., Malinov S., Long A. Enhancing the Microstructure and Properties of Titanium Alloys Through Nitriding and Other Surface Engineering Methods // Surface and Coatings Technol. 2005. V. 200(7). Pp. 2192—2207.
9. Ракоч А.Г., Бардин И.В., Ковалев В.Л., Аванесян Т.Г. Микродуговое оксидирование легких конструкционных сплавов. Ч. 1. Основные представления о микродуговом оксидировании легких конструкционных сплавов // Известия высших учебных заведений Серия «Порошковая металлургия и функциональные покрытия». 2011. № 2. С. 58—62.
10. Song S.H., Min B.K., Hong M.-H., Kwon T.-Y. Application of a Novel CVD TiN Coating on a Biomedical Co-Cr Alloy: an Evaluation of Coating Layer and Substrate Characteristics // Materials. 2020. V. 13(5). Pp. 1145—1359.
11. Vogel D., Dempwolf H., Baumann A., Bader R. Characterization of Thick Titanium Plasma Spray Coatings on PEEK Materials Used for Medical Implants and the Influence on the Mechanical Properties // J. Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018. V. 77. Pp. 600—608.
12. Kalita V.I., Komlev D.I., Radyuk A.A. Structure and Mechanical Properties of Three-dimensional Capillary-porous Titanium Coatings on Intraosteal Implants // Inorganic Materials: Appl. Research. 2016. V. 7(4). Pp. 536—541.
13. Оковитый В.А., Девойно О.Г., Пантелеенко А.Ф., Оковитый В.В. Керамический материал системы «оксид титана — оксид алюминия – твердая смазка» // Вестник Белорусского нац. техн. ун-та. 2011. № 1. С. 16—20.
14. Фомин А.А. и др. Фазово-структурные и химические превращения на поверхности титана при плазменно-индукционном нанесении биокерамических покрытий // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 3. С. 303—311.
15. Оковитый В.А. и др. Модификация плазменных износостойких покрытий импульсным лазером // Вестник Белорусского нац. техн. ун-та. 2009. № 4. С. 49—53.
16. Sasaki S., Tribological Properties of Coating Films Synthesised by Laser Assisted Plasma Spraying // Surface Eng. 1997. V. 13(3). Pp. 238—242.
17. Huang C., Du L., Zhang W. Friction and Wear Characteristics of Plasma-sprayed Self-lubrication Coating with Clad Powder at Elevated Temperatures up to 800 oC // J. Thermal Spray Technol. 2014. V. 23. Pp. 463—469.
18. Shankar A.R., Karthiselva N.S., Mudali U.K. Thermal Oxidation of Titanium to Improve Corrosion Resistance in Boiling Nitric Acid Medium // Surface and Coating Technol. 2013. V 235. Pp. 45—53.
19. Фролов В.Я., Смирнова Е.А., Юшин Б.А. Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки // Металлообработка. 2009. № 2. С. 28—33.
20. Фомин А.А. и др. Структура и микротвердость титановых покрытий на имплантатах после индукционно-термической обработки // Перспективные материалы. 2016. № 12. С. 25—37.
---
Для цитирования: Осипова Е.О., Маркелова О.А., Фомин А.А., Кошуро В.А. Влияние условий индукционно-термической обработки на свойства покрытий, сформированных методом электроплазменного напыления // Вестник МЭИ. 2023. № 3. С. 63—72. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-3-63-72
---
Работа выполнена при поддержке: гранта Президента РФ (грант № МД-965.2021.4)
#
1. Ivashchenko A.V., Yablokov A.E., Markov I.I., Monakov V.A., Nesterov A.M. Osobennosti Trofiki Kostnoy Tkani Posle Ustanovki Dental'nykh Implantatov. Vestnik Meditsinskogo Instituta «REAVIZ»: Reabilitatsiya, Vrach i Zdorov'e. 2021;3(51):79—84. (in Russian).
2. Bakalyan V.L. Ispol'zovanie S'emnykh i Nes'emnykh Vremennykh Konstruktsiy v Poetapnom Ortopedicheskom Lechenii Vremennymi Konstruktsiyami. Vestnik Stomatologii i Chelyustno-litsevoy Khirurgii. 2015;12;1—2:37—40. (in Russian).
3. Bartak V., Fulin P., Pokorny D., Sosna A. Rezul'taty Klinicheskogo Primeneniya Total'nogo Endoproteza Kolennogo Sustava Novogo Pokoleniya s Vrashchayushchimsya Vkladyshem Kompanii «BEZNOSKA S.R.O.». Ortopediya, Travmatologiya, Protezirovanie. 2012;1(586):27—29. (in Russian).
4. Albrektsson T., Wennerberg A. On Osseointegration in Relation to Implant Surfaces. Clinical Implant Dentistry and Related Research. 2019;21:4—7.
5. Chen Z. e. a. Influence of the Pore Size and Porosity of Selective Laser Melted Ti6Al4V ELI Porous Scaffold on Cell Proliferation, Osteogenesis and Bone Ingrowth. Materials Sci. and Eng. 2020;106:110289.
6. Fomin A.A., Fomina M.A., Poshivalova E.Yu., Rodionov I.V., Zakharevich A.M., Skaptsov A.A. Fazovo-strukturnye i Khimicheskie Prevrashcheniya na Poverkhnosti Titana pri Plazmenno-induktsionnom Nanesenii Biokeramicheskikh Pokrytiy. Fundamental'nye Problemy Sovremennogo Materialovedeniya. 2014;11(3):303—311. (in Russian).
7. Pat. № 2647968 RF. Sposob Formirovaniya Titanovykh Poristykh Pokrytiy na Titanovykh Implantatakh. Fomin A.A., Fomina M.A., Rodionov I.V., Koshuro V.A. Byul. izobret. 2018;9. (in Russian).
8. Zhecheva A., Sha W., Malinov S., Long A. Enhancing the Microstructure and Properties of Titanium Alloys Through Nitriding and Other Surface Engineering Methods. Surface and Coatings Technol. 2005;200(7):2192—2207.
9. Rakoch A.G., Bardin I.V., Kovalev V.L., Avanesyan T.G. Mikrodugovoe Oksidirovanie Legkikh Konstruktsionnykh Splavov. Ch. 1. Osnovnye Predstavleniya o Mikrodugovom Oksidirovanii Legkikh Konstruktsionnykh Splavov. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy Seriya «Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya». 2011;2:58—62. (in Russian).
10. Song S.H., Min B.K., Hong M.-H., Kwon T.-Y. Application of a Novel CVD TiN Coating on a Biomedical Co-Cr Alloy: an Evaluation of Coating Layer and Substrate Characteristics. Materials. 2020;13(5):1145—1359.
11. Vogel D., Dempwolf H., Baumann A., Bader R. Characterization of Thick Titanium Plasma Spray Coatings on PEEK Materials Used for Medical Implants and the Influence on the Mechanical Properties. J. Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018;77:600—608.
12. Kalita V.I., Komlev D.I., Radyuk A.A. Structure and Mechanical Properties of Three-dimensional Capillary-porous Titanium Coatings on Intraosteal Implants. Inorganic Materials: Appl. Research. 2016;7(4):536—541.
13. Okovityy V.A., Devoyno O.G., Panteleenko A.F., Okovityy V.V. Keramicheskiy Material Sistemy «Oksid Titana — Oksid Alyuminiya – Tverdaya Smazka». Vestnik Belorusskogo Nats. Tekhn. Un-ta. 2011;1:16—20. (in Russian).
14. Fomin A.A. i dr. Fazovo-strukturnye i Khimicheskie Prevrashcheniya na Poverkhnosti Titana pri Plazmenno-induktsionnom Nanesenii Biokeramicheskikh Pokrytiy. Fundamental'nye Problemy Sovremennogo Materialovedeniya. 2014;11;3:303—311. (in Russian).
15. Okovityy V.A. i dr. Modifikatsiya Plazmennykh Iznosostoykikh Pokrytiy Impul'snym Lazerom. Vestnik Belorusskogo Nats. Tekhn. Un-ta. 2009;4:49—53. (in Russian).
16. Sasaki S., Tribological Properties of Coating Films Synthesised by Laser Assisted Plasma Spraying. Surface Eng. 1997;13(3):238—242.
17. Huang C., Du L., Zhang W. Friction and Wear Characteristics of Plasma-sprayed Self-lubrication Coating with Clad Powder at Elevated Temperatures up to 800 oC. J. Thermal Spray Technol. 2014;23:463—469.
18. Shankar A.R., Karthiselva N.S., Mudali U.K. Thermal Oxidation of Titanium to Improve Corrosion Resistance in Boiling Nitric Acid Medium. Surface and Coating Technol. 2013;235:45—53.
19. Frolov V.Ya., Smirnova E.A., YUshin B.A. Povyshenie Ekspluatatsionnykh Svoystv Plazmennykh Pokrytiy Metodom Induktsionnoy Termoobrabotki. Metalloobrabotka. 2009;2:28—33. (in Russian).
20. Fomin A.A. i dr. Struktura i Mikrotverdost' Titanovykh Pokrytiy na Implantatakh Posle Induktsionno-termicheskoy Obrabotki. Perspektivnye Materialy. 2016;12:25—37. (in Russian).
---
For citation: Osipova E.O., Markelova O.A., Fomin A.A., Koshuro V.A. Influence of Induction Heat Treatment Conditions on the Properties of Coatings Formed by Electroplasma Spraying. Bulletin of MPEI. 2023;3:63—72. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-3-63-72
---
The work is executed at support: Grant of the President of the Russian Federation (Grant No. МД-965.2021.4)
Опубликован
2023-02-14
Раздел
Электротехнология и электрофизика (технические науки) (2.4.4)