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 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.

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 физико-математическая модель, разработан программный комплекс и проведено детальное численное исследование процессов при импульсной электронно-пучковой обработке покрытий различной толщины из металлокерамического сплава TiC-(Ni-Cr) в широком диапазоне плотностей мощности, времени воздействия и частоты следования импульсов. Результаты работы могут представлять интерес для понимания процессов, происходящих при поверхностной обработке покрытий и материалов высококонцентрированными потоками энергии.

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.

В работе предлагается и теоретически обосновывается возможность применения трибоспектрального анализа для диагностики неоднородностей и несплошностей наноскопического масштаба на границе раздела нанопокрытие - подложка. В основе предложенного подхода лежит измерение силы сопротивления скольжению контртела по поверхности образца и последующий анализ ее частотного спектра. Теоретическое исследование возможностей и ограничений, накладываемых на использование нанотрибоспектроскопии, осуществлялось путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. Результаты изучения, в частности, показали возможность оценки ряда параметров наноскопических несплошностей, таких, как характерный пространственный период их расположения и линейные размеры. При этом для получения достоверной информации о структуре дефектов и их пространственном расположении необходимо сочетание подхода нанотрибоспектроскопии с другими методами. Описана экспериментальная реализация нанотрибоспектрометра с разрешающей способностью до 8 нм. Обсуждаются области применения предложенного подхода как перспективного неразрушающего метода нанодиагностики поврежденности покрытий и поверхностных слоев.

В работе исследуются процессы деформации и разрушения материалов с покрытиями различной толщины. Краевая задача механики решается численно методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Для описания механического отклика стальной подложки и боридного покрытия используются модели упругопластической среды с изотропным упрочнением и упруго-хрупкого разрушения соответственно. Геометрия границы раздела «покрытие - подложка» соответствует экспериментально наблюдаемой и учитывается в расчетах явно. Проведены серии численных экспериментов при варьировании толщины покрытия. Показано, что в пределах тонкого поверхностного слоя (около 80 мкм) концентрация напряжений вблизи границы раздела «покрытие - подложка» увеличивается при уменьшении толщины покрытия, т.е. по мере приближения данной границы к свободной поверхности образца. Установлено, что данный эффект проявляется уже на упругой стадии и усиливается по мере развития пластической деформации в подложке.

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.

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.