Российские учёные разработали метод создания защитных танталовых покрытий на титане, который позволяет проконтролировать состав, структуру и свойства создаваемого слоя и добиться большей механической прочности.
Титан и его сплавы широко используются в медицине (для создания имплантатов), авиации и космонавтике, энергетике благодаря лёгкости, прочности и устойчивости к коррозии. Но в экстремальных условиях — агрессивных средах, содержащих кислоты, серу, другие химически активные вещества, при воздействии высоких температур и давления — даже титан нуждается в защите. Для этого часто применяется тантал — химически стабильный, долговечный и биосовместимый металл. Обычно танталовые покрытия наносят распылением материала в плазме или спеканием под действием лазера. Это требует применения сложного оборудования и не всегда обеспечивает равномерность покрытия, что заставляет учёных искать новые, более эффективные технологии.
Материаловеды из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. предложили формировать танталовые покрытия на титане методом электроискрового нанесения. На титан с электрода, проводящего ток, подают короткие электрические разряды, которые заставляют материал электрода равномерно осаждаться на обрабатываемой поверхности.
Если электрод сделать из тантала, на титане сформируется танталовое покрытие. Исследователи подтвердили это, проведя процедуру в герметичной камере при нормальном и пониженном давлении в атмосфере воздуха или аргона. Они использовали системы позиционирования с числовым программным управлением и визуального контроля за процессом. Это позволило равномерно перемещать электрод относительно образца и формировать по заданной траектории покрытия, состоящие из капель тантала.
Авторы получили танталовые покрытия толщиной от 3,6 до 22 микрометров. Учёные исследовали их химический состав и выяснили, что покрытия, сформированные в воздушной среде, содержали большое количество кислорода (17–47% от остального состава) и азота (2–4%). Концентрацию этих элементов важно учитывать, поскольку создаваемые ими оксиды и нитриды повышают твёрдость и износостойкость наносимых слоёв, но при этом препятствуют дальнейшему росту толщины покрытия, делают его более хрупким и менее устойчивым к коррозии, а также снижают биосовместимость материала. Микротвёрдость полученных в воздушной среде образцов составила 5,4–12,3 гигапаскаля: материал способен выдерживать давление примерно в 5000–10 000 раз выше атмосферного.
В аргоновой среде содержание кислорода было снижено до 18–41%, азота — до 1,65–2,2%. Микротвёрдость покрытий, сформированных в таких условиях, оказалась ниже — 5,3–9 гигапаскалей, однако этих показателей достаточно для большинства потенциальных применений, в том числе высокотехнологичных.
«Наш метод позволяет не только улучшить свойства танталовых покрытий, но и делает процесс их нанесения более управляемым. Совершенствование их производства важно, поскольку тантал — тугоплавкий и коррозионно-стойкий биосовместимый металл, перспективный для технического и медицинского применения, в частности создания имплантатов индивидуальной конструкции с заданными параметрами структуры.
В дальнейшем мы планируем расширить диапазон условий, при которых формируются покрытия, попробовать наносить другие материалы, а также сформировать аналогичные слои на цилиндрических поверхностях. Возможно, полученные результаты станут основой для нового метода получения 2D-структур, а в перспективе и метода аддитивного производства 3D-металлических объектов малого размера», — прокомментировал результаты работы руководитель проекта Владимир Кошуро, кандидат технических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Индукционные, плазменные и лазерные технологии обработки материалов», доцент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ имени Гагарина Ю.А.