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.

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.

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 результате исследований выявлен ряд закономерностей, связанных с толщиной покрытия и формированием промежуточных слоев, содержащих атомы примесных элементов - С и О; влияние сорта имплантируемых ионов на топографию поверхности, на механизмы разрушения и критические значения параметров адгезионной прочности системы "покрытие/подложка".

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.

Выполнено исследование физико-химических свойств и структуры кальцийфосфатных покрытий, полученных методом микродугового оксидирования в электролитах на основе La- и Si-замещенного гидроксиапатита с различными концентрациями заместителей (Ca10-х Laх (PO4)6-у (SiO4)6-у (OH)2, х = у = 0.2 и 0.5) при варьировании напряжения процесса нанесения покрытий от 150 до 350 В. Показано, что с повышением напряжения процесса толщина и шероховатость покрытий линейно увеличиваются соответственно от 120 до 130 мкм и от 2 до 8 мкм. Установлено, что покрытия, полученные при напряжениях процесса 150-250 В, имеют в основном рентгеноаморфную структуру и, как следствие, высокую скорость биорезорбции. Повышение напряжения до 300-350 В приводит к формированию в покрытиях кристаллических фаз: монетита СаНР04 и бетта-пирофосфата бетта-Са2Р207. Максимальное содержание La и Si, равное соответственно 0.22 и 0.16 ат. %, характерно для покрытий, нанесенных при максимальном напряжении процесса 350 В. С повышением напряжения интенсифицируется осаждение ионов Са2+ из электролита, что приводит к увеличению содержания Са в покрытии, при этом отношение Са/Р возрастает от 0.26 до 0.58.

Исследован процесс обработки микродуговым оксидированием (МДО) внутренней поверхности деталей из алюминиевых сплавов. Применение внутреннего электрода в МДО-процессе позволяет интенсифицировать процесс формирования покрытия по всей поверхности детали, а также влияет на морфологию и состав покрытия. Сделано предположение, что внутренний электрод может применяться в МДО как поставщик материала для формирования покрытия заданного состава.

Приведены результаты исследования свойств покрытий на основе оксида титана, нанесенных на титановые подложки методом микродугового оксидирования, устанавливающие связь физико-механических характеристик поверхности покрытий с их медико-биологическими свойствами. Необходимая топография поверхности формировалась пескоструйной обработкой подложки и контролировалась по значениям индекса шероховатости Ra. Установлена линейная зависимость амплитуды отрицательного электростатического потенциала оксидного покрытия от величины Ra. Топография поверхности микродугового покрытия определяет его поверхностный отрицательный потенциал, который, по-видимому, снижает жизнеспособность лейкозных Т-клеток линии Jurkat через электростатические и биологические механизмы, не связанные с генерацией внутриклеточных активных форм кислорода.

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.

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.

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.

Предложена модель разложения частицы в электрическом поле с учетом тепло- и массообмена между частицей и окружающей ее жидкой фазой. Исследована динамика процесса разложения при варьировании мощности источника тепла, коэффициента сжимаемости, константы скорости реакции и доли частиц. Представлены оценки возникающих напряжений и деформации частицы. Предполагается, что причиной разрушения частиц, взвешенных в электролите, может быть смена знака тангенциальных напряжений на некотором расстоянии от центра частицы, зависящем от параметров модели.

Исследована взаимосвязь регистрируемых циклических вольтамперных кривых и свойств оксидно-керамических покрытий, формируемых в процессе микроплазменного оксидирования. Выявлено, что аналитический сигнал активной составляющей тока на вольтамперной кривой является показателем толщины и пористости формируемого покрытия. Показано, что по форме регистрируемых вольтамперных характеристик можно прогнозировать свойства получаемых оксидно-керамических покрытий и управлять процессом микроплазменной обработки.

Методом микроплазменного оксидирования в растворе силикатного электролита на поверхности циркония, напыленного на медную подложку, сформированы оксидно-керамические покрытия. Определены оптимальные режимы микроплазменной обработки. Установлена корреляция между вольтамперными характеристиками процесса оксидирования и свойствами формируемых покрытий. Показано, что свойства оксидного покрытия зависят от технологии получения компонентов электролита.

Исследована коррозионная стойкость композиционных оксид-фторопластовых покрытий в условиях химической коррозии во фторсодержащих средах. Показано, что фторопластовые покрытия, нанесенные на керамический подслой, обладают высокой адгезионной прочностью химико-термического взаимодействия. Установлено, что полученные фторопластовые покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью во фторсодержащих средах.

Рассмотрены условия формирования на титане биоактивных кальцийфосфатных поверхностных слоев, содержащих гидроксиапатит, методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) в электролитах различного химического состава. Изучены их состав, морфология, антикоррозионные и механические характеристики. по результатам исследования предложены оптимальные режимы получения. Поверхностные слои, формируемые на титановых имплантатах, были изучены в условиях in vitro и in vivo. Показано, что биологическая активность покрытий определяется суперпозицией специфических параметров: химическим составом, в частности, значениями концентрации кальция и фосфора, их отношением и морфологией (шероховатостью) поверхности.

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.

Современные требования к эксплуатационным характеристикам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) делают актуальной задачу нанесения покрытий с низкой теплопроводностью и высокой термоциклической стойкостью на внутренние полости сопел, в частности, теплозащитных на основе оксидов циркония-иттрия Zr-Y-O. Применяемые до настоящего времени технологии их получения (газоплазменные, вакуумные ионно-плазменные, детонационные, гальванические и др.) не позволяют получить покрытия нужного качества. В данной работе использовался метод получения теплозащитных покрытий на основе Zr-Y-O в наноструктурном состоянии с помощью импульсного магнетронного распыления. Целью работы является изучение влияния химического состава покрытия на его термоциклическую стойкость и исследование структурно-фазового состояния нанокомпозитных покрытий на основе Zr-Y-O.

Фазовый состав, тонкая структура и морфология поверхности интерметаллических покрытий исследованы методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Показано, что интерметаллид Ni3Al является основной фазой покрытия для всех исследованных образцов. В покрытии присутствует небольшое количество NiAl и АlFe3C. Ионно-лучевая обработка покрытия приводит к изменению параметра решетки, параметра дальнего атомного порядка, изменению внутренних упругих напряжений. Послойная обработка каждого слоя покрытия ионами аргона уменьшает скорость износа в 10 раз, коэффициент трения в 2.5 раза, увеличивает микротвердость на 25 %, степень упругой деформации на 18 %.

Во второй части книги систематизированы сведения о современном методе поверхностной обработки и упрочнения металлов, позволяющем получать многофункциональные защитные покрытия — микродуговом оксидировании (МДО). Рассмотрены история развития исследований по данному вопросу, механизм формирования анодных оксидных пленок, система металл—оксид—электролит и ее особенности, асимметрия проводимости в этой системе, пробой анодных оксидных пленок и искрение, основные представления о процессе МДО и его механизме, роль разряда и динамика его развития при формировании покрытий, получаемых методом МДО, классификация микроплазменных методов, основы технологии МДО (электролиты, режимы), оборудование микродугового оксидирования. Дан сравнительный анализ различных методов анодирования и микродугового оксидирования, проанализирована практика микродугового оксидирования. Подробно рассмотрены состав, структура и свойства МДО-покрытий. Приведены многочисленные примеры применения МДО-покрытий. Для инженерно-технических и научных работников, студентов технических ВУЗов.

Предложен новый метод получения термостойкого оксида циркония в слоистом композиционном покрытии на сплаве меди. Метод заключается в высоковольтном импульсном воздействии на образец, помещенный в раствор электролита, в результате которого происходит модификация поверхностного слоя циркония без участия нижних слоев подложки с последующим образованием оксида. характеризующегося повышенной термостойкостью. Подобные покрытия могут быть использованы, например, на внутренней обшивке сопла в двигателях для аэрокосмической промышленности.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплава V-4%Ti-4%Cr в зависимости от режимов его термомеханической обработки с применением метода многократного всестороннего прессования. Показано, что использование этого метода позволяет модифицировать гетерофазную и зеренную (субзеренную) структуру сплава и существенно повысить характеристики его прочности и пластичности.

В монографии обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований отечественными и зарубежными учеными влияния реакторных излучений на изменение механических свойств конструкционных материалов. Приведенные данные проанализированы на основании сопоставления различных гипотез, объясняющих наблюдаемые радиационные эффекты. Значительное место занимают результаты исследований воздействий облучения на сопротивление ползучести и длительному разрушению сталей аустенитного и ферритно-мартенситного классов в условиях постоянного и переменного силового воздействия с учетом вида напряженного состояния, энергетического спектра и интенсивности облучения. Предназначена для специалистов в области механики материалов и атомной энергетики, а также преподавателей и студентов соответствующих факультетов.

В работе представлены результаты комплексных исследований структурно-фазового состояния, физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных титана и циркония при ионно-лучевой и микродуговой обработках. Показано, что низкотемпературное ионно-лучевое азотирование титана и циркония существенно (в 25-35 раз) увеличивает износостойкость его поверхностного слоя и на 40% понижает коэффициент трения при фрикционном сопряжении. Микродуговое оксидирование титана в растворе ортофосфорной кислоты, гидроксилапатита и карбоната кальция позволяет создавать кальций-фосфатные покрытия с высокими физико-механическими свойствами. Трибологические испытания в режиме сухого трения и в изотоническом растворе хлорида натрия показали, что биокомпозиционный материал на основе наноструктурированного титана и кальций-фосфатного покрытия демонстрирует достаточно высокий коэффициент трения 0,4-1,0 в процессе фрикционного взаимодействия с сверхвысокомолекуляярным полиэтиленом и костной тканью. Существенное повышение триботехнических свойств наноструктурированных циркония и титана с модифицированными поверхностными слоями делает эти материалы весьма перспективными для применения в медицине и технике.

В монографии рассмотрены вопросы материаловедческого обоснования производства изделий из сплавов циркония для нужд ядерной энергетики. Проанализированы принципы совершенствования таких сплавов и технологий производства из них труб. Исследована неоднородность пластической деформации сплавов циркония при холодной деформации. Приведены данные о текстуре труб, возникающей при прокатке и радиальной ковке. Показаны возможности методов современного физического эксперимента при исследованиях структуры сплавов на основе циркония. Обоснована возможность управления механическими свойствами циркониевых сплавов за счет микролегирования кислородом. Книга рассчитана на специалистов в области производства изделий для ядерной энергетики и других отраслей промышленности. на научных работников, занимающихся вопросами металловедения, физики пластичности и обработки металлов давлением, а также будет полезна студентам и аспирантам соответствующих специальностей.

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

Рассмотрены конструктивные особенности инструмента с алмазно-гальваническим покрытием и его типоразмеры, приведены данные о физико-механических и эксплуатационных свойствах этих покрытий. Указаны области применения алмазного инструмента на гальванической связке. Для инженерно-технических работников и мастеров инструментального производства.

Изложены теория и практика производства износостойких сплавов и композиционных материалов. Проанализированы металлургические и технологические способы повышения износостойкости белых чугунов, графитизированных сплавов, фрикционных чугунов, антифрикционных материалов, высокопрочных композиционных материалов, сложнолегированных и аморфных сплавов. Определены оптимальные режимы обработки расплавов и отливок для получения заданных параметров физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств. Рассмотрены вопросы влияния технологии получения, химического состава и структуры износостойких сплавов и композиций на характеристики статической и динамической прочности и эксплуатационные свойства. Отражены практические результаты создания и использования ряда комплексно-легированных сплавов и композиционных материалов, оценены области их применения. Для инженерно-технических работников, аспирантов, студентов, специализирующихся в области материаловедения, литейного производства и технологии конструкционных материалов. Может быть полезна конструкторам и специалистам в области создания новых конструкционных и инструментальных триботехнических материалов.

В рамках концепции создания многокомпонентных нанокомпозитных покрытий, предполагающей одновременное зарождение островков различных взаимно нерастворимых или малорастворимых фаз при самоорганизации микроструктуры в процессе синтеза, разработаны и получены покрытия системы Al-Cr-Si-Ti-Cu-N. С применением методов рентгеноструктурного анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведено комплексное исследование влияния режимов ионно-плазменного синтеза на особенности микроструктуры, микротвердость, элементный и фазовый состав изучаемых покрытий. Обсуждаются пути оптимизации режимов получения многокомпонентных нанокомпозитных покрытий указанной выше системы.

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.

Исследованы механические и триботехнические свойства композиционных покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридами титана. Проведенные испытания на растяжение образцов с покрытиями показали, что с увеличением объемной доли упрочняющей фазы материал покрытия эффективнее сопротивляется пластической деформации. Твердость (HRC) покрытий увеличивается с ростом содержания упрочняющей фазы. Испытания образцов с покрытиями на абразивную износостойкость и износ пары трения по схеме «вал – две плоские колодки» показали, что с увеличением в покрытиях доли карбонитридов титана улучшаются их триботехнические характеристики.??.

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.

В данной работе приведено описание метода точных МТ-орбиталей (ТМТО) и проведено исследование его применимости для моделирования термодинамических и механических свойств чистых компонентов сплавов на основе Ti и Zr. Проведены расчёты полных энергий Ti, Zr, Nb, V, Mo и Аl в гранецентрированной кубической (ГЦК), объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурах. Рассчитаны теоретические значения параметров решётки, упругие постоянные и уравнения состояния. Во всех случаях расчёты методом ТМТО предсказывают правильную структуру основного состояния. Для стабильных структур проведено сравнение полученных результатов с экспериментом и с расчётами полнопотенциальными методами.

Изучены структура, фазовый состав и износостойкость аустенитных покрытий с карбидным упрочнением. Установлено, что в процессе наплавки и старения в объеме упрочненного слоя формируется однородная дисперсно-упрочненная структура с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам, позволяющая увеличить микротвердость и износостойкость покрытия в 1,5-2 раза.

Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии исследованы закономерности разрушения покрытий SiAIN на подложках Cu при одноосном растяжении. Показано, что скалывание покрытий происходит в зонах локальной кривизны границы раздела «SiAIN - Cu», образующихся в результате скольжения дислокаций в подложке. Предварительная ионная бомбардировка подложки позволяет подавить выход дислокаций на границу раздела «покрытие - подложка», а также повысить адгезионную прочность покрытий и предотвратить их краевое отслоение. В то же время возникающая в результате ионной бомбардировки волнистая граница раздела «покрытие - подложка» приводит к появлению нормальных к ней напряжений, которые обусловливают коробление и скалывание покрытий в областях положительной локальной кривизны границы раздела.

Сборник подготовлен международным коллективом ведущих специалистов в области нанонауки и наноструктурных покрытий. Изложены основные сведения о синтезе сверхтвердых пленок на основе тугоплавких соединений, их структуре, фазовом составе. физико-механических свойствах и сферах применения. Подробно характеризуются методы исследования покрытий: просвечивающая электронная микроскопия, наноиндентирование и компьютерный эксперимент. детально анализируются теоретические и опытные данные о природе деформации и разрушения сверхтвердых покрытий. Особое внимание уделено их трибологическим характеристиками и термической стабильности. Сборник будет полезен ученым, инженерам и преподавателям высшей школы, студентам и аспирантам, специализирующимся в области нанотехнологий, наноматериалов и нанопокрытий.

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.

В работе дано описание конструктивных особенностей вакуумной установки «КВАНТ», предназначенной для ионно-магнетронного напыления покрытий с нанокристаллической структурой. Приводятся технические характеристики установки, описание некоторых методов напыления и результаты исследований структуры и механических свойств нанокристаллических покрытий, полученных на установке.

Исследовано влияние параметров импульсного электролитического осаждения на закономерности формирования покрытий Au – Ni. Показано, что варьирование величины пиковой плотности тока, частоты импульсов и рабочего цикла позволяет эффективно управлять шероховатостью поверхности, микроструктурой и механическими свойствами гальванических покрытий.

Исследовано распределение макродеформаций в азотистых покрытиях, формирующихся при электронно-лучевой наплавке, в зависимости фазового состава.

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.