Исследовано влияние состава электролита на фазовый и элементный составы биоактивных кальций-фосфатных покрытий при микродуговом формировании покрытий вводных растворах электролитов а титановых имплантатах, применяемых в ортопедии и травматологии. Показано, что микродуговой метод позволяет наносить кальций-фосфатные покрытия с заранее заданными толщиной и фазовым и элементных составом. Установлено, что содержание кальция в покрытии зависит от концентрации последнего в дисперсионной среде электролита. Разработан режим микродугового формирования кальций-фосфатных покрытий толщиной до 80 мкм, близкий к составу костной ткани. В фазовый сотсав данных покрытий входят CaTi4(PO4)6, Ca3(PO4)2, CaTiO4, TiP2O7. Описанный режим позволяет получать покрытия, свободные от чистого титана, с высокими биологическими свойствами.

Исследовано влияние времени микроплазменной обработки на форму вольтамперной кривой. получаемой на стадии микроплазменного формирования биокерамических покрытий на титане и его сплавах в растворах различных электролитов. Показано, что вольтамперные характеристики отражают динамику роста и качества покрытия и позволяют контролировать и корректировать микроплазменный процесс формирования покрытий и получать биокерамические покрытия с заданными свойствами.

С помощью новой компьютерной системы измерений, позволяющей регистрировать циклически вольтамперные характеристики, исследованы импульсные микроплазменные процессы формирования биокерамических покрытий на титане и сего сплавах в щелочных электролитах. Показано, что изменение формы циклических вольтамперных характеристик, отражающее динамику роста покрытия, зависит от режима микроплазменного процесса, состава и концентрации электролита. Компьютерная система измерения циклических вольтамперных характеристик открывает новые возможности управления процессом формирования биокерамических покрытий с заданными свойствами на титане в импульсном микроплазменном режиме.

Приведены данные по структуре, механическим характеристикам и остеогенным свойствам биокомпозиционного материала на основе субмикрокристаллического титана и микродугового кальций-фосфатного покрытия. Модифицированный микродуговой метод позволил сформировать кальций-фосфатные покрытия со слоистой пористой структурой. Биокомпозиционный материал на основе субмикрокристаллического титана с кальций-фосфатным покрытием по уровню механических свойств соответствует требованиям, предъявляемым к биоимплантатам. Титановые имплантаты с кальций-фосфатными покрытиями с высокой вероятностью способствуют формированию костной ткани в тесте эктопического костеобразования.

В данной работе представлены результаты разработки и исследований биокерамических кальций-фосфатных покрытий с высоким содержанием кальция. Фазовый, элементный состав и микроструктура были исследованы методами рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии. Механические свойства оценивались по результатам измерений микротвердости, поведению при растяжении и накоплению микропластической деформации. Биологические свойства были определены по стандартным методикам. Исследования показали, что покрытия имеют сложный полифазовый состав на основе кальцийсодержащих соединений. Нанесение Са–Р покрытий повышает эксплуатационные характеристики и придает имплантату биоактивные свойства, что улучшает способность имплантата к интеграции с костной тканью.

Разработаны принципиально новые композиционные покрытия, состоящие из трехмерных капиллярно-пористых (ТКП) плазменных титановых покрытий и биоактивных керамических (БК) покрытий, формируемых микродуговым оксидированием. Композиционные покрытия предназначены для использования на поверхности внутрикостных тазобедренных имплантатов. Сочетание ТКП с открытой макропористостью в виде впадин и биоактивного покрытия способствует формированию сравнительно высокой (до 75%) объемной доли костной ткани на поверхности имплантата, что свидетельствует о высоких остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойствах разработанных композиционных покрытий.

Исследованы циклические вольтамперные характеристики формирования биокерамических покрытий на титане в импульсном микроплазменном режиме с помощью компьютерной системы измерений. Показано, что форма циклических вольтамперных характеристик зависит от режимов микроплазменного процесса, состава и концентрации электролита. Использование вольтамперных зависимостей позволяет прогнозировать, конструировать и контролировать качество покрытия в процессе его формирования, так как вольтамперные зависимости отражают динамику роста и качества покрытия.

Представлены результаты исследования морфологии и физико-химических параметров биокопозита на основе объемного наноструктурного титана и микродугового Ca-Р покрытия до и после их растворения в биологической жидкости. Растворение Ca-Р покрытия происходит преимущественно в зонах концентраторов напряжений, при этом параллельно с ионами кальция накапливаются фосфатные группы, приводящие к снижения pH раствора. На основе предложенной математической модели диффузионного взаимодействия имплантанта с раствором определен эффективный коэффициент диффузии кальция в растворе.

Методами потенциодинамической поляризации, электрохимической импедансной спектроскопии и кривых травления исследовано электрохимическое поведение наноструктурированного титана без покрытия и с кальцийфосфатным покрытием в различных средах. Показано, что кальцийфосфатные покрытия на поверхности наноструктурированного титана защищают металл от коррозии.

Приведены результаты изучения потребности населения в России при наличии дефектов зубочелюстной системы в ортопедической помощи на зубных имплантатах. Показано, что потребность населения в ортопедической помощи крайне высока во всех возрастных группах. Описана технология получения заготовок титана ВТ1-0 с объемной наноструктурой, обеспечивающей высокие механические свойства. Выполнено сравнение механических свойств наноструктурного титана со свойствами крупнокристаллического аналога и титановых сплавов медицинского назначения. Описаны новые результаты разработки новых конструкций дентальных винтовых внутрикостных имплантатов из высокопрочного наноструктурного титана с резорбируемым кальций-фосфатным покрытием, обеспечивающим высокую степень остеоинтеграции имплантата с костной тканью.

Предложена математическая модель для описания процессов в электролитической ванне при нанесении кальций-фосфатных покрытий микродуговым методом. Учитываются диффузия в жидкой и твердых (взвешенных частицах и титановом образце, на который наносится покрытие) фазах; основные химические превращения в частицах и в жидком растворе. Разработан алгоритм численного решения задачи, учитывающий различие характерных масштабов в различных фазах. Представлены отдельные расчеты, иллюстрирующие возможности модели.

Рассмотрена принципиальная возможность использования метода микродугового оксидирования для получения кальций-фосфатных покрытий на поверхности циркониевого сплава. Выполнено сравнение технологических параметров режимов формирования покрытий. Приведены результаты исследования морфологии полученных покрытий, их механических свойств (адгезионная прочность покрытия к подложке, шероховатость) и элементного состава.

Изучены структура и фазовый состав гидроксилапатитовых покрытий и их изменения, происходящие при плазменном напылении на титановые подложки с увеличением толщины покрытия и условий режимов истечения плазменных струй. Методами электронной микроскопии на просвет и рентгеноструктурного анализа получены данные о тонкой структуре (особенности кристаллического строения, фазовый состав, размеры кристаллитов) плазменно-напыленных гидроксилапатитовых покрытий. Результаты исследований указывают на сложность строения напыляемых покрытий и на возможность получения покрытий с заданным кристаллическим строением, что следует учитывать при прогнозировании работоспособности покрытий на имплантатах в ортопедии и стоматологии.

Методом электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерения микро- и нанотвердости исследованы особенности взаимосвязи тонкой структуры с изменением прочностных свойств наноструктурных и нанокомпозитных покрытий Ti-Si-B-N с высоким содержанием примесей кислорода и углерода. Показано, что в условиях низкотемпературного (T= 200С) нанесения покрытий формируется двухуровневая зеренная структура с фрагментацией зерен размером 0,1 - 0,3 мкм на субзерна размером 15-20 нм и наличием текстуры (200). С увеличением содержания кремния формируются бестекстурные покрытия с размером зерна кристаллической фазы менее 15 нм и высокой аморфной составляющей либо покрытия с аморфно-кристаллической структурой. При температурах нанесения покрытий 400-450 С наблюдается нанокомпозитная структура с размером зерна d= 10 - 15 нм и отсутствием текстуры. Для всех изученных составов и условий получения обнаруживается кристаллическая фаза Ti1-хSхN с параметром решетки a=(0,416 - 0,420) нм. При оптимальных составах и условиях синтеза значения твердости превышают 40-50 ГПа. высказано предположение о возможности достижения сверхтвердости при многофазных зернограничных прослойках толщиной более 1 нм.

Методом электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерения микро- и нанотвердости исследованы особенности взаимосвязи тонкой структуры с изменением прочностных свойств наноструктурных и нанокомпозитных покрытий Ti-Si-B-N с высоким содержанием примесей кислорода и углерода. Показано, что в условиях низкотемпературного (Т=200С) нанесения покрытий формируется двухуровневая зеренная структура с фрагментацией зерен размером 0,1-0,3 мкм на субзерна размером 15-20 нм. С увеличением содержания кремния и бора формируются бестекстурные покрытия с размером зерна кристаллической фазы менее 15 нм и высокой объемной долей рентгено-аморфной составляющей структуры. При температурах нанесения покрытий 400-450С наблюдается нанокомпозитная структура с отсутствием текстуры. Для всех изученных составов и условий получения обнаруживается кристаллическая фаза с параметром решетки а=(0,416-0,420). При оптимальных составах и условиях синтеза значения твердости превышают 40-50ГПа. Высказано предположение о возможности достижения сверхтвердости при многофазных зернограничных прослойках толщиной более 1 нм.

Методом электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерения микро- и нанотвердости исследованы особенности взаимосвязи тонкой субструктуры с изменением прочностных свойств однофазных (TiN) и нанокомпозитных покрытий (TiN/Cu, AlN/Cu, Ti–Si–B–N) вблизи поверхности сопряжения с подложкой и на поверхности покрытия. Показано, что в покрытиях TiN, TiN/Cu, Ti–Si–B–N обнаруживается двухуровневая зеренная структура с фрагментацией зерен размером 0.1...0.3 мкм на субзерна размером 0.15...0.25 нм с малоугловыми (delta)(phi) = 4x10(3) ч и релаксация внутренних напряжений, измеренных по кривизне-кручению решетки. В покрытиях Ti–Si–B–N с примесями кислорода и углерода наблюдаются стабильные значения H(mu) ~ 55...60 ГПа в структурных состояниях, отвечающих двухуровневой зеренной структуре легированного кремнием нитрида титана и аморфных зернограничных фаз. В покрытиях AlN/Cu при однородном распределении нанозерен нитрида алюминия (d 20...25 нм) низкие значения твердости H(mu).

Исследована морфология и структура цинк- и медьсодержащих кальцийфосфатных покрытий, нанесенных методом микродугового оксидирования при различном напряжении на подложки из чистого титана и низкомодульного сплава Ti-40 масс.% Nb. Морфология микродуговых покрытий на обеих подложках представлена сфероидальными образованиями размером 8-42 мкм и порами размером 1-15 мкм. С повышением напряжения при осаждении покрытий от 200 до 300 В эти структурные элементы увеличиваются в размерах и частично разрушаются. Обнаружено, что при повышении напряжения поверхностная пористость микродуговых покрытий линейно возрастает от 14 до 24%. Установлено, что эффективные коэффициенты диффузии модельной биологической жидкости в пористых покрытиях изменяются от 0,85*10 в степени -10 до 9,0*10 в степени -10 м2/с. С увеличением размеров структурных элементов эффективный коэффициент диффузии модельной биологической жидкости в микродуговых покрытиях на титане увеличивается, а на сплаве Ti-40 масс.% Nb — уменьшается, что связано с увеличением доли кристаллической фазы.

В рамках дискретного метода подвижных клеточных автоматов (метода МСА) разработана методика определения сдвиговых компонент тензора напряжений и деформаций в произвольном элементарном объеме образца. Проведены расчеты для различных распределений кальция по глубине покрытия, соответствующих разным способам его нанесения или разному времени его пребывания в организме. По результатам расчетов выполнена оценка упругих свойств, а также деформаций и напряжений сдвига в зависимости от распределения элементов по покрытию. Для выбранных составов покрытий определены распределения кальция, при которых в покрытии реализуются наибольшие и наименьшие величины напряжений и деформаций сдвига.

Изучены физико-химические и биологические характеристики микродуговых кальцийфосфатных покрытий на титане и цирконии. Установлено, что кальцийфосфатные покрытия на титане и цирконии по-разному влияют на морфофункциональное состояние стромальных стволовых клеток, окружающих имплантат, что может быть связано с более высокой растворимостью и последующим выходом фосфатных групп в межклеточную жидкость из покрытий на Zr по сравнению с покрытиями на Ti.

Исследованы структура и свойства кальций-фосфатных покрытий, сформированных на поверхности титана методом микродугового оксидирования в электролите на основе 30% ортофосфорной кислоты, включающем гидроксиапатит и природный волластонит. Показано, что основными электрофизическими параметрами, влйяющими на морфологию и физико-механические свойства покрытий, являются напряжение процесса микродугового оксидирования, время нанесения покрытия и длительность импульсов. При напряжении оксидирования 150 В и длительности импульсов до 500 мкс в течение ~10 мин формируются покрытия толщиной 25-30 мкм с шероховатостью поверхности Rа=2,5-5,0 мкм. Покрытия имеют пластинчато-пористую структуру, в которой присутствуют округлые пластинки кальций-фосфатного соединения и удлиненные частицы волластонита, что обеспечивает повышенные прочностные и биологические свойства покрытий. При увеличении напряжения оксидирования до 300 В формируются пористые покрытия толщиной до 120 мкм со сфероидальными структурными элементами на поверхности.

В книге рассмотрены основы нанесения износо-, коррозионно-стойких и теплозащитных покрытий с применением перспективных технологий наплавки, газотермического напыления, лазерной обработки; теоретические предпосылки оптимизации состава наносимых материалов и технологии формирования покрытий. Приведены конкретные примеры современных материалов и технологий для упрочнения изделий машино- и моторостроения, металлургии, авиации. химической промышленности. медицинской техники. Значительное внимание уделено износостойким материалам с избыточной карбидной фазой и включениями твердой смазки, коррозионно-стойким металлополимерным и биокерамическим материалам, теплозащитным композициям на основе диоксид циркония. Представлена информация об импульсно-пламенной обработке напыленных покрытий для образования в них работоспособных неравновесных, аморфизированных структур. Предназначена для научных и инженерно-технических работников в области нанесения защитных покрытий, аспирантов, студентов.

Исследовано влияние облучения пучком ионов Al++B+ на структурно-фазовое состояние, химический состав, нанотвердость и износостойкость TiN покрытий. Установлено, что ионное облучение повышает износостойкость покрытий в 4 раза, а нанотвердость - в 1,6 раза. Изменение свойств связывается с радиационно-стимулированным выделением высокодисперсных боридных и нитридных фаз. изменением среднего размера и преимущественной ориентации зерен основной фазы.

Предложена и исследована двумерная модель синтеза покрытия на подложке в условиях регулируемого нагрева, учитывающая кинетические и тепловые явления. В качестве модельной системы покрытия выбрана смесь порошков Ti и Ni, в качестве подложки - сталь. Система химических реакций записана в соответствии с диаграммой состояния Ti-Ni. В модели учитывается, что химические реакции тормозятся слоем продукта. Задача решена численно. Определены распределения температуры и концентраций элементов и соединений в различные моменты времени для различных условий синтеза. Показано, что при любой организации процесса синтезированный материал оказывается химически неоднородным.

Исследованы микроструктура и фазовый состав катодов, спеченных из прессованных смесей порошков титана и кремния, а также ионно-плазменные покрытия, полученные вакуумно-дуговым распылением спеченных катодов. Обнаружено уменьшение содержания кремния в покрытиях по сравнению с катодами.

Рассмотрены методы оценки адгезионной прочности, изучена морфология поверхности, проведен послойный элементный анализ в приповерхностном объеме никелида титана с покрытиями из Мо и Та различной толщины. Показано, что механическая и адгезионная прочность покрытий зависит от химического состава пленки и подложки, а также толщины покрытия.

С использованием методов просвечивающей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа выполнено исследование изменения микроструктуры, напряжений и элементного состава в тонких фольгах на поперечных сечениях градиентного покрытия системы Ti—Al—Si—N. Показано, что с ростом по толщине покрытия концентрации легирующих нитрид титана элементов его структура меняется от столбчатых зерен субмикронного размера к нанокристаллическим зернам. Для отмеченных структурных состояний установлено изменение величин структурных характеристик (параметр и изгибы-кручения кристаллической решетки, размеры кристаллов и тип внутризеренной дефектной структуры) и уровня остаточных напряжений. Обнаружено изменение величины и знака остаточных напряжений при смене типа структурного состояния.??.

Представлены результаты исследования модифицирования поверхности сшивающих медицинских скобок методом микродугового оксидирования. Разработаны схема и режимы процесса микродугового оксидирования, позволяющие получать биологически совместимое, однородное, пористое кальцийфосфатное покрытие с требуемой толщиной и морфологией на поверхности сшивающих скобок. Морфология покрытия представлена сфероидальными образованиями со сквозными порами. Непосредственно после нанесения покрытие находится в рентгеноаморфном состоянии. При отжиге в покрытии происходит формирование кристаллических фаз, основной из которых является двойной фосфат титана и кальция, CaTi4(PО4)2. Предложена схема нанесения лекарственного вещества - ципрофлоксацина, на титановые скобки с биопокрытием. Наибольшее влияние на адсорбцию ципрофлоксацина оказывает толщина покрытия и концентрация исходного раствора. Модифицирование поверхности сшивающих скобок путём нанесения кальцийфосфатного покрытия и внесения в покрытие лекарственного средства позволит обеспечить оптимальные механические и биологические свойства имплантатов.

В работе приведены результаты исследования структуры и трибологических свойств композиционных покрытий «диборид титана – металлическая связка», полученных методами электронно-лучевой наплавки, газопламенным напылением и напылением с последующим оплавлением электронным лучом. Показано, что покрытия, полученные электронно-лучевой наплавкой, обладают более высокими значениями износостойкости при абразивном изнашивании и износе в парах трения.

Методами оже-спектроскопии электронов, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерения микротвердости исследованы особенности взаимосвязи состава, тонкой структуры с изменением прочностных свойств наноструктурных и нанокомпозитных покрытий Ti-Al-Si-N с высоким содержанием кислорода и углерода. Показано, что в данных покрытиях может быть сформирована фаза на основе TiN с нанокристаллической или двухуровневой зеренной структурой, распределенная в рентгеноаморфной фазе, объемна доля которой составляет 20-5-%. Характер зеренной структуры можно целенаправленно изменять легированием покрытий алюминием и кремнием. Установлено, что независимо от структурного состояния и состава покрытий в них наблюдается высокая термическая стабильность сверхтвердости и микроструктуры. Снижение твердости наблюдается в результате дислокационного возврата, релаксации напряжений и развития начальных стадий рекристаллизации. Высказано предположение, что высокие прочностные свойства покрытий обусловлены наличием дислокационной субструктуры и высоким сопротивлением сдвигу рентгеноаморфных фаз по границам нанокристаллитов.

Предложена модель диффузионного взаимодействия имплантата с многослойным покрытием и физиологического раствора. Эта модель представляет собой сопряженную задачу многокомпонентной диффузии. Принято условие малости коэффициентов диффузии в твердой фазе по сравнению с жидкостью, что позволило пренебречь распределением концентраций элементов в физиологическом растворе. Проанализированы частные варианты модели. Определены поля концентраций в твердой фазе и среднее содержание концентраций в растворе в различные моменты времени при варьировании параметров модели. В реальной ситуации варьирование коэффициентов диффузии достигается за счет изменения состава покрытий.????.

Исследованы состав, структура, микротвердость и износостойкость покрытий на основе TiCxNy и Ti1–xAlxN, осаждаемых с помощью магнетрона постоянного тока в условиях высоких мощностей разряда и низких давлений рабочей газовой смеси. Обнаружено значительное повышение микротвердости и износостойкости покрытий TiCxNy с увеличением отношения парциальных давлений ацетилена к азоту, а покрытий Ti1–xAlxN при увеличении температуры осаждения, которое связывается с изменениями состава и структурных характеристик покрытий.

Методом рентгеноструктурного анализа исследованы структурно-фазовые состояния в поверхностных слоях никелида титана с покрытиями из Мо толщиной 200 нм и 500 нм, сформированными методом магнетронного напыления. Материал в покрытии имеет однокомпонентный химический состав и однофазную ОЦК-кристаллическую структуру Мо. Исследованы особенности тонкой атомно-кристаллической структуры материала в покрытии и в слоях подложки, прилежащих к нему. Установлено, что кристаллическая ОЦК решетка Мо в покрытии характеризуется наличием ориентированных микродеформаций разных знаков: сжатия вдоль поверхности образца и растяжения перпендикулярно к ней. Кристаллическая структура В2 фазы никелида титана в области, сопряженной с покрытием, имеет увеличенный параметр элементарной ячейки. измеренный в направлении нормали к поверхности.

В настоящей работе проведены сравнительные исследования порошковых катодов с элементным составом титан+50 ат.% алюминия, полученных по различным технологически вариантам: а) холодное формование и последующее спекание; б) горячее прессование. Были проведены структурные исследования катодов с применением металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, а также измерения микротвердости.

Исследован эффект модифицирования структуры высокохромистого белого чугуна добавкой дисперсного порошкового карбида титана при спекании и электронно-лучевой наплавке. Наиболее сильное измельчение структуры, сопровождаемое ростом твердости, наблюдается для чугуна доэвтектического состава. Наибольшую твердость имеют спеченные композиты карбид титана - высокохромистый чугун. Относительно меньшая твердость наплавленных композиционных покрытий аналогичного состава объясняется вакуумной очисткой наплавочной ванны от примесей внедрения.

Исследовано влияние режимов микродугового оксидирования (времени процесса, длительности импульса тока, анодного напряжения) и состава электролита на величину пористости анодно-оксидных покрытий, полученных на сплавах алюминия Д-16АТ и титана ВТ1-00. Установлено, что, варьируя величиной анодного напряжения, длительностью импульса тока, временем процесса и составом электролите, можно получать покрытия с различной пористостью, большими или малыми порами, в зависимости от необходимых физико-механических свойств покрытия. Определены оптимальные режимы формирования качественных функциональных керамических покрытий.

Исследовано изменение структурно-фазового состояния, нанотвердости и износостойкости, распределения элементов в поверхностном слое градиентных нанокомпозитных покрытий TiN при имплантации пучками ионов Al + B и вакуумном отжиге в интервале температур от комнатной до 1373 K. Обнаружено повышение износостойкости покрытий в 4 раза и нанотвердости в 1.4 раза. Наблюдаемые эффекты могут быть связаны с выделением и растворением тонкодисперсных боридных фаз, изменением среднего размера и преимущественной ориентации зерен основной фазы.