×
01.04.2020
220.018.1231

Способ модификации поверхности изделий из титана

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к металлургии, а именно к способу модификации поверхности, а именно к электронно-пучковой обработке и нанесению тонких пленок, и может быть использовано в авиационной, машиностроительной и других областях промышленности, а также в медицине. Способ модификаций обработки поверхности изделий из титана заключается в том, что поверхности изделий оплавляют концентрированными потоками энергии с последующим осаждением плазмохимическим методом на нее кремний-углеродной пленки в смеси аргона и паров полифенилметилсилоксана с использованием импульсного биполярного смещения амплитудой отрицательного импульса от 100 В до 700 В, прикладываемого к оснастке с изделиями. Предварительное оплавление поверхности осуществляют импульсным широкоапертурным электронным пучком. В качестве исходного материала для получения кремний-углеродной пленки используют полифенилметилсилоксан. Обеспечивается повышение механических и трибологических свойств изделий из титана, обладающих биосовместимостью и сочетающих в себе высокую твердость, низкий коэффициент трения и низкую скорость износа. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл, 2 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к технологии модификации поверхности, а именно к электронно-пучковой обработке и нанесению тонких пленок, и может быть использовано в авиационной, машиностроительной и других областях промышленности, а также в медицине. Способ предназначен для устранения мелкоразмерных шероховатостей на поверхности материала (острий, микротрещин и др.), образовавшихся в процессе изготовления и транспортировки материала, а также повышения механических и трибологических свойств материалов, в частности титана. Способ может быть использован при создании медицинских изделий предназначенных для длительной эксплуатации в системе живого организма, где требуется придать гладкость поверхности, повысить механические и трибологические свойства без нарушения биосовместимости материала, например, насосов для механической поддержки работы сердца.

Известен способ электронно-пучкового полирования поверхности металлов [1], заключающийся в том, что над полируемой поверхностью посредством лазерного луча поджигают в парах металла и поддерживают в непрерывном оптическом разряде приповерхностную лазерную плазму, а изменение режима полирования осуществляют путем перемещения энергетического центра плазмы относительно полируемой поверхности. Такой способ предусматривает «грубое» полирование поверхности с осуществлением режима глубокого проплавления и объемного парообразования, а также «чистовое» полирование поверхности.

Недостатками данного способа являются локальность воздействия лазерного луча, относительно небольшой размер пятна, а также необходимость создания защитной атмосферы, препятствующей окислению материала в процессе его полировки.

Известен способ повышения прочности и износостойкости титана [2], заключающийся в механико-термической обработке титановых изделий, в частности с помощью оксидирования. Способ модификации поверхности титана оксидированием включает нагрев в воздушной среде, изотермическую выдержку и последующее охлаждение образцов на воздухе до комнатной температуры. Перед нагревом осуществляют деформирование поверхности образцов титана в условиях сухого трения скольжения с использованием цилиндрического индентора, а последующий нагрев деформированных образцов производят до температуры 450-650°С. При этом повышается прочность и износостойкость титана за счет создания в его поверхностном слое нанокристаллической двухфазной (α-титан+TiO2) структуры.

Недостатками заявляемого способа является высокий нагрев титановых изделий, а также довольно высокий коэффициент трения (не менее 0,4).

Известен способ [3] электронно-лучевой обработки титана с целью повышения ресурса работы деталей машин и механизмов, работающих в условиях многоциклового усталостного разрушения, включающий облучение поверхности изделия импульсным сильноточным электронным пучком с получением поверхностных слоев с градиентной многофазной структурой путем импульсно-периодического воздействия сильноточным электронным пучком с энергией электронов 10…30 кэВ в среде аргона при остаточном давлении 0,02…0,03 Па, поглощаемой плотности энергии 10…30 Дж/см2, длительности импульсов 100…150 мкс и количестве импульсов 1…3.

Недостатками данного способа являются невысокая износостойкость полученных образцов, а также отсутствие сглаживания поверхности и снижения коэффициента трения.

Наиболее близким по технической сущности и наибольшим количеством совпадающих общих признаков был выбран за прототип способ [4], в котором электроды из титана оплавляют концентрированными потоками плазмы с последующим осаждением на поверхность изделия кремний-углеродной пленки с низкой шероховатостью поверхности.

Недостатком этого технического решения - прототипа является то, что способ был направлен на обработку титановых электродов с целью повышения их электрической прочности вакуумной изоляции.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа модификации поверхности изделий из титана с целью создания медицинских изделий, предназначенных для длительной эксплуатации в системе живого организма.

Техническим результатом является:

- сглаживание поверхности титановых изделий;

- повышение механических и трибологических свойств поверхности титановых изделий.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем предварительное оплавление поверхности изделия из титана концентрированными потоками энергии с последующим осаждением кремний-углеродной пленки, согласно изобретению, осаждение кремний-углеродной пленки производят плазмохимическим методом с использованием импульсного биполярного смещения, прикладываемого к оснастке с изделиями, при амплитуде отрицательного импульса от 100 В до 700 В.

Кроме того, предварительное оплавление поверхности осуществляется импульсным широкоапертурным низкоэнергетическим электронным пучком [5].

Кроме того, в качестве исходного материала для получения кремний-углеродных (a-C:H:SiOx) пленок выступает полифенйлметилсилоксан (ПФМС). Полученная а-C:H:SiOx пленка, обладает высокой биосовместимостью и сочетает в себе высокую твердость, низкий коэффициент трения и низкую скорость износа, что способствует применению в медицинских изделиях.

Сглаживание поверхности происходит за счет импульсной переплавки поверхностного слоя материала. При оптимально подобранных, для данного материала, параметрах электронного пучка, происходит расплавление и частичное испарение поверхностного слоя материала образца, при этом испаряется или растворяется значительная часть содержащихся в нем инородных включений. В процессе последующего быстрого застывания расплавленного слоя, формируется однородная мелкокристаллическая структура - происходит сглаживание обработанной поверхности. Повышение механических и трибологических свойств поверхности образцов происходит за счет последующего нанесения кремний-углеродной (a-C:H:SiOx) пленки, обладающей высокой биосовместимостью и низкой шероховатостью поверхности. Снижение коэффициента трения образцов объясняется тем, что кремний-углеродная пленка, за счет высокой твердости, низкого коэффициента трения и низкой скорости износа, способна выполнять роль твердой смазки.

Способ модификации реализуется следующим образом.

Пример №1. Берется образец в форме пластины размером 20×20×4 мм из титана, в данном случае марки ВТ1-0. Осуществляется очистка поверхности в ультразвуковой ванне с использованием изопропилового спирта, ацетона и дистиллированной воды в течение 3 минут в каждой среде. После этого образец устанавливается на проводящую оснастку, помещаемую в рабочую камеру на расстоянии от технологического источника, равном 150 мм. Процесс нанесения a-C:H:SiOx пленки осуществляется плазмохимическим методом в смеси аргона и паров ПФМС в вакууме с давлением остаточной атмосферы не более 2⋅10-2 Па. При этом расход ПФМС составляет 0,05±0,01 мл/мин, расход аргона 3,5±0,5 л/ч, мощность разряда 600±50 Вт, а к оснастке прикладывается импульсное биполярное смещение с амплитудой отрицательного импульса от 100 В до 700 В, частотой следования импульсов 100 кГц и коэффициентом заполнения 60%.

В таблице 1 показана зависимость твердости (Н) и среднеквадратичной шероховатости (Rq) поверхности титанового образца с нанесенной кремний-углеродной пленкой от амплитуды отрицательного импульса биполярного смещения подложки (U).

Увеличение амплитуды отрицательного импульса биполярного смещения подложки от 100 В до 500 В в процессе нанесения a-C:H:SiOx пленки приводит к увеличению твердости с 2,1 до 12,3 ГПа. Дальнейшее повышение амплитуды отрицательного импульса вплоть до 700 В способствует снижению твердости до 11,2 ГПа. Поскольку шероховатость поверхности задается шероховатостью поверхности исходного образца, то среднеквадратичная Шероховатость поверхности Rq, измеряемая с помощью атомно-силовой микроскопии, составляет ~50 нм для всех случаев.

Пример №2. Берется образец, аналогичный образцу в примере №1. Образец обрабатывают с помощью низкоэнергетического сильноточного электронного пучка с плотностью энергии 6,5 Дж/см2 и количеством импульсов 5 раз. После этого производится ультразвуковая обработка/очистка, загрузка образца в рабочую камеру и нанесение а-C:H:SiOx пленки аналогично примеру №1. В этом случае к проводящей оснастке прикладывалось биполярное смещение с амплитудой отрицательного импульса 500 В.

В табл. 2 приведены результаты исследования механических и трибологических свойств титана марки ВТ 1-0 до (1 образец) и после (2 образец) модификации поверхности с помощью электронного пучка с последующим нанесением a-C:H:SiOx пленки. Где Н - твердость поверхности образца, Rq - среднеквадратичная шероховатость поверхности на участке 5×5 мкм2, Н/Е - индекс пластичности, Н32 - сопротивление пластической деформаций, μ - коэффициент трения, k - скорость износа.

На Фиг. 1 представлены изображения поверхности титана с растрового электронного микроскопа: (а) без модификации поверхности, (б) после воздействия концентрированными потоками с плотностью энергии 6,5 Дж/см2, (в) после воздействия концентрированными потоками с плотностью энергии 6,5 Дж/см2 с последующим Нанесением a-C:H:SiOx пленки с приложением к проводящей оснастке биполярного смещения с амплитудой отрицательного импульса 500 В.

Изначально поверхность титана (Фиг. 1-а) имеет множество микротрещин и микроцарапин, образованных в процессе изготовления листового материала. Поэтому поверхность имеет высокую шероховатость поверхности, измеренная среднеквадратичная шероховатость поверхности на участке 5×5 мкм2 составляет 40±10 нм. Твердость поверхности составляет 2,1 ГПа, скорость износа 9,4⋅10-4 мм3/Н⋅м, а коэффициент трения 0,68 (Табл. 2). Воздействие На поверхность титана низкоэнергетического сильноточного электронного пучка с плотностью энергии 6,5 Дж/см2 и количеством импульсов 5 раз (Фиг. 1-б) приводит к сглаживанию поверхности за счет расплавления и частичного испарения поверхностного слоя материала образца, а также последующего быстрого застывания расплавленного слоя, приводящего к полировке поверхности за счет формирования однородной мелкокристаллической структуры. В этом случае среднеквадратичная шероховатость поверхности составляет 8±1 нм. При этом твердость поверхности (Н), скорость износа (k) и коэффициент трения (μ) изменяются не существенно и составляют 2,35 ГПа, 6,8⋅10-4 мм3/Н⋅м и 0,64, соответственно.

Последующее нанесение a-C:H:SiOx пленки с подачей импульсного биполярного смещения на титановые образцы, обработанные широкоапертурным низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком с плотностью энергии 6,5 Дж/см2 и количеством импульсов 5 раз (Фиг. 1-в), (Табл. 2) приводит к повышению твердости (Н) до 12,3 ГПа (более чем в 5,8 раз), снижению скорости износа (k) до 4⋅10-6 мм3/Н⋅м (более чем в 230 раз), а также коэффициента трения (μ) до 0,073 (более чем в 9 раз) по сравнению с титаном без модификации поверхности.

Таким образом, показано, что повышение амплитуды отрицательного импульса биполярного смещения U, прикладываемого к оснастке в процессе нанесения a-C:H:SiOx пленки, вплоть до 500 В приводит к увеличению твердости с 2,1 до 12 ГПа. Дальнейшее повышение U вплоть до 700 В приводит к спаду твердости до 11,2 ГПа вследствие преобладания sp2 гибридизированных атомов углерода, образованных за счет увеличения энергии, приходящейся на отдельные атомы углерода в пленке.

Для достижения эффекта сглаживания поверхности титана и одновременно повышение ее механических и трибологических свойств необходимо воздействие концентрированными потоками энергии (низкоэнергетический электронный пучок) с последующим нанесением a-C:H:SiOx пленки, обладающей низкой шероховатостью поверхности, высокой биосовместимостью и твердостью, низким коэффициентом трения и низкой скоростью износа (Пример №2).

Источники информации

1. RU 2381094 С1, 10.02.2010 г.

2. RU 2503741 С1, 10.01.2014 г.

3. RU 2616740 С2, 18.04.2017 г.

4. RU 2665315 С1, 29.08.2018 г.


Способ модификации поверхности изделий из титана
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-9 из 9.
10.01.2015
№216.013.1b2e

Вакуумный диод

Изобретение относится к области электронной техники. Вакуумный диод для получения сильноточных электронных пучков большого сечения для возбуждения мощных газовых лазеров, решения задач радиационной технологии, плазмохимии, защиты окружающей среды. Для получения пучка применены взрывоэмиссионные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002538386
Дата охранного документа: 10.01.2015
27.01.2015
№216.013.2144

Способ определения стойкости к дугообразованию элементов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

Изобретение относится к технике испытаний и может быть использовано при наземной экспериментальной отработке радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов в диапазоне давлений окружающей среды от атмосферного до соответствующего глубокому вакууму. Технический результат - повышение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002539964
Дата охранного документа: 27.01.2015
10.05.2015
№216.013.493b

Способ определения чувствительности штаммов pseudomonas aeruginosa к антибиотикам

Изобретение относится к области микробиологии, в частности к методам определения чувствительности штаммов Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) к антибиотикам. Способ определения чувствительности по спектрам флуоресценции включает культивацию штаммов P. aeruginosa на питательных средах,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002550254
Дата охранного документа: 10.05.2015
10.02.2016
№216.014.cddc

Способ создания активной среды krf лазера

Способ создания активной среды KrF лазера включает в себя зажигание объемного разряда в лазерной смеси после подачи импульсного напряжения на разрядный промежуток, включение искровой предыонизации, создающей предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, и пробой разрядного промежутка....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002575142
Дата охранного документа: 10.02.2016
25.08.2017
№217.015.b25b

Способ контроля сплошности диэлектрического покрытия на элементах радиоэлектронной аппаратуры

Использование: для тестирования в финальной стадии изготовления радиоэлектронной аппаратуры, элементы которой покрыты защитным диэлектриком. Сущность изобретения заключается в том, что способ содержит сканирование элементов радиоэлектронной аппаратуры контролируемого объекта плазменной струей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613571
Дата охранного документа: 17.03.2017
04.04.2018
№218.016.2eed

Способ испытания радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов на стойкость к вторичному дугообразованию

Изобретение относится к технике испытаний и может быть использовано при наземной экспериментальной отработке и при приемочных испытаниях радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов на стойкость к инициированию вторичной дуги при работе аппаратуры на напряжениях, превышающих падение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002644455
Дата охранного документа: 12.02.2018
30.08.2018
№218.016.817b

Способ обработки электродов изолирующих промежутков высоковольтных электровакуумных приборов

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к технике электрической изоляции в вакууме, и может использоваться в высоковольтных энергоустановках и электровакуумных приборах для повышения эксплуатационных характеристик. Способ обработки электродов заключается в том, что...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002665315
Дата охранного документа: 29.08.2018
29.05.2019
№219.017.6320

Устройство для поверхностной обработки массивных металлических изделий

Изобретение относится к области модификации поверхностных слоев материалов импульсными электронными пучками и может быть использовано для улучшения их физико-химических свойств (коррозионной стойкости, жаростойкости и др.). Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002688190
Дата охранного документа: 21.05.2019
22.04.2023
№223.018.50fa

Малогабаритный источник излучения, возбуждаемый барьерным разрядом

Изобретение относится к источникам спонтанного излучения, возбуждаемым барьерным разрядом, у которых малое поперечное сечение выходного пучка ≈10 мм и менее. Технический результат - повышение плотности мощности коротковолнового излучения при малом поперечном сечении выходного пучка....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002794206
Дата охранного документа: 12.04.2023
Показаны записи 1-4 из 4.
20.12.2015
№216.013.9d07

Способ изготовления ячейки твердооксидного топливного элемента на несущей металлической основе

Изобретение относится к изготовлению твердооксидных топливных ячеек (ТОТЭ) на металлической основе, в которых обеспечено увеличение долговременной стабильности каталитических свойств анода и снижение рабочей температуры ниже 800°C. Технический результат достигается за счет использования в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002571824
Дата охранного документа: 20.12.2015
30.08.2018
№218.016.817b

Способ обработки электродов изолирующих промежутков высоковольтных электровакуумных приборов

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к технике электрической изоляции в вакууме, и может использоваться в высоковольтных энергоустановках и электровакуумных приборах для повышения эксплуатационных характеристик. Способ обработки электродов заключается в том, что...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002665315
Дата охранного документа: 29.08.2018
15.03.2019
№219.016.e0ea

Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока

Способ относится к области электротехники и может быть использован для построения мощных лабораторных импульсных источников стабилизированного постоянного тока. Способ заключается в том, что измеряют текущее значение тока непосредственно в цепи нагрузки, оцифровывают его и сохраняют в памяти...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002420853
Дата охранного документа: 10.06.2011
23.05.2023
№223.018.6c3a

Способ получения тромборезистентных изделий медицинского назначения

Изобретение относится к области медицины, а именно к созданию тромборезистентных медицинских изделий, и раскрывает способ получения тромборезистентных изделий медицинского назначения, выполненных из титана и сплавов на его основе. Согласно изобретению, изделия подвергаются обработке импульсным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002738307
Дата охранного документа: 11.12.2020
+ добавить свой РИД