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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Методом импульсного магнетронного распыления получено твердосмазочное композитное покрытие системы Cu-Mo-S. Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии изучена морфология поверхности и микроструктура полученных покрытий. Элементный состав покрытий изучен методами микрорентгеноспектрального анализа. Проведено исследование влияния композитных покрытий системы Cu-Mo-S на триботехнические свойства пары трения «медь - медь» при работе в атмосфере инертного газа и на воздухе. Установлено, что применение этих покрытий повышает износостойкость пары трения в атмосфере аргона примерно в 72 раза, при этом коэффициент трения на воздухе снижается примерно в 2.2 раза.

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.

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.

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.

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.

Изложены результаты исследований и теоретических разработок в области нанесения и использования защитных плазменных покрытий. рассмотрены механизм сцепления порошкового покрытия с подложкой, кинетика окисления напыляемых материалов. Изучено влияние абразивного износа на структуру и свойства плазменных покрытий. Дана оценка структуры порошковых покрытий и их исследований с помощью метода термодифференциального анализа. Описана возможность сварки биметалла титан-сталь с применением плазменных покрытий в качестве разделительного слоя. Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой, изучением износостойких плазменных покрытий и вопросами, связанными с порошковой металлургией.

Публикуются результаты исследований по вопросам порошковой металлургии, композиционных материалов, коррозионностойких, защитных и износостойких покрытий, нанесенных различными методами; рассмотрены вопросы импульстого формования и сварки композиционных и порошковых материалов, технологические аспекты получения материалов и изделий из гранулированных металлических и керамических порошков с использованием импульсного нагружения, а также представлены работы по теории горячего и холодного пластического формоизменения пористых материалов, технологии изготовления деталей конструкционного. инструментального, антифрикционного и фрикционного назначения. Рассмотрены теоретические вопросы формирования газотермических покрытий с заданными физико-механическими свойствами. Предназначен для научных и инженерно-технических работников, занятых в области теории и практики порошковой металлургии, композиционных материалов, плазменной и газоплазменной металлизации.

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.

Методом оже-электронной спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии исследованы состав и структура имплантированных слоев Si монокристаллов NiTi, различно ориентированных относительно направления ионно-пучкового воздействия. Выявлена роль "мягкой" [ 111 ] В2 и "жесткой" [001]В2 ориентаций NiTi в формировании структуры ионно-модифицированного поверхностного слоя, а также дефектной структуры приповерхностных слоев монокристаллов.??.

Исследовано поведение при деформации сжатием и сдвигом пористых, 10-70 %, образцов из оксида алюминия и диоксида циркония. Анализ кривых «напряжение - деформация» показал, что имеет место переход от типично хрупкого разрушения для относительно плотных образцов обоих составов до псевдопластичного при высоком уровне пористости. Значения предела прочности при сжатии, эффективных модулей упругости и сдвига, а также коэффициента Пуассона уменьшаются с увеличением объёма порового пространства керамических образцов, что коррелирует с появлением в них множественного растрескивания, формирующегося в ходе деформации.

Приведено теоретическое и экспериментальное обоснование высокой эффективности повышения макромеханических характеристик конструкционных и инструментальных материалов путем наноструктурирования их поверхностных слоев или нанесения наноструктурных покрытий. Нагруженное твердое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой поверхностные слои являются самостоятельной подсистемой. Особое внимание уделяется интерфейсу "поверхностный слой (покрытие) - подложка", на котором возникает "шахматное" распределение нормальных и касательных напряжений и связанных с ними концентраторов напряжений различного масштаба.

В настоящий тематический сборник включены статьи по проблемам наплавки, напыления, припекания защитных порошковых покрытий, спекания металлических порошков, прочности и теплофизики порошковых покрытий. Включены вопросы модельных представлений и экономики применительно к порошковым покрытиям, а также вопросы геометрии их поверхностей. Материалы сборника могут быть полезными для инженеров и научных работников в области сварочных процессов, процессов нанесения защитных износостойких покрытий, аспирантов и студентов технических вузов, физических и механико-математических специальностей университетов и педвузов.

Теоретически и экспериментально исследованы различные методы электронно-лучевой обработки металлических и неметаллических материалов: получение отливок повышенной чистоты из тугоплавких металлов, в частности изготовление новых и восстановление изношенных катодов, мишеней, упрочнение поверхностных слоев сталей из стали и сплавов титана с расплавлением и без расплавления поверхностного слоя; нанесение на поверхность металлических изделий упрочняющих порошковых покрытий; получение неразъемных соединений керамика-металл, металл-металл. Представлены электронно-лучевые технологии получения металлорежущих инструментов, оснащенных пластинками из кубического нитрида бора, упрочнения методами электронно-лучевой наплавки, закалки с расплавлением и без расплавления поверхностного слоя, получения биметаллических катодов, мишеней. Монография рассчитана на научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области высокоэнергетических методов обработки материалов, может быть полезна аспирантам и студентам технических вузов.

Изучено влияние порообразующих добавок на формирование поровой структуры, фазового состава и предела прочности при изгибе высокопористого материала в процессе его реакционного спекания. Показано, что введение порообразователя в исходную смесь порошков приводит к формированию бимодальной поровой структуры, а прочность при изгибе изменяется по экспоненциальному закону.

Изучено влияние состава материала, давления прессования и температуры спекания на фазовый состав, плотность, прочность и электрическое сопротивление пористых проницаемых элементов систем TiC-Al2O3, и TiC-ZrO2 TiC-TiO2.

Проанализированы и систематизированы физико-химические процессы при формировании материалов с нанокристаллической и аморфной структурой при плазменном напылении. Эти материалы формируются при раздельном затвердевании на подложке напыляемых частиц дискообразной формы. Значительные градиенты по температуре и скорости плазменной струи наследуются напыляемыми частицами и структурой полученного материала. Разработаны и исследованы способы плазменного напыления покрытий из проволоки и порошка с более узкими пределами энергетического состояния напыляемого материала. что увеличивает однородность их структуры и механических свойств. Однородность структуры покрытия повышается при использовании специальной насадки, выравнивающей температур напыляемых частиц и полностью устраняющей тепловое действие плазменного потока на формируемое покрытие. Разработанный способ напыления применили для формирования ряда материалов со специальными физическими свойствами в нанокристаллическом и аморфном состоянии. ВТСП материалы на основе меди и висмута получали при термообработке напыленных аморфных полуфабрикатов. Сплавы на основе кобальта использовали для напыления аморфных магнитно-мягких покрытий для защиты электронной аппаратуры от электромагнитного излучения. Плазменные покрытия рассмотрели как металлургический полуфабрикат, механических свойства. которого могут быть улучшены термопластической обработкой при высоких скоростях нагрева и охлаждения. Аморфные покрытия из высоколегированных чугунов переводили в нанокристаллическое состояние при последующей термопластической обработке. Регулирование температуры и времени пребывания напыляемого материала в жидком состоянии при плазменном напылении позволило сформировать керметные материалы, TiCN - NiMo, упрочненные наноразмерными фазами. Получены систематические данные по легированию напыленной алюминиевой матрицы переходными металлами. Такие алюминиевые сплавы позволяют повысить рабочую температуру волокнистого композиционного материала Al - В до 670К. Потребность в материалах с высокой пористостью и прочностью реализовали в принципиально новых трехмерных капиллярно-пористых покрытиях, которые уже успешно используются на поверхности внутрикостных имплантатов.

Изучено влияние технологических приемов формирования прочных композиций "покрытие-стальная основа", полученных оплавлением напыленных порошковых материалов из самофлюсующихся никелевых сплавов, на структуру, дюрометрические и прочностные свойства компонентов и композиций в целом.

Приведены результаты комплексных экспериментальных исследований и численного моделирования процессов пластической деформации материалов с покрытиями или поверхностным упрочнением на мезо- и макромасштабном уровнях. Показано влияние процессов, развивающихся на границе раздела покрытие - подложка, на развитие пластической деформации всей композиции. На основании полученных данных даются рекомендации по созданию поверхностно-упрочненных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами.

Исследованы композиционные покрытия "карбид титана - сплав на основе железа", нанесенные методом электронно-лучевой наплавки. Структура наплавленных покрытий подобна структуре спеченных карбидосталей, причем стальная связка закаливается в процессе нанесения покрытия, что обеспечивает дополнительное повышение его твердости.

Различными физико-химическими методами, включая дифференциальный термический анализ, термогравиметрию, газовую хромотографию, оптическую и электронную микроскопию, изучено поведение наноразмерного порошка алюминия при смешении с пластифицированным нитроэфирами полимером. Определены перспективные способы предварительной химической обработки, обеспечивающие сохранность свойств порошка при длительном хранении и неизменность его свойств в составах энергетических материалов.

В работе с позиций молекулярно-динамического подхода рассматривается контактное взаимодействие кристаллических тел в условиях сдвиговой деформации. Для задания межатомного взаимодействия использован потенциал, рассчитанный в рамках метода погруженного атома. Изучены особенности развития структурных изменений, протекающих в контактной области при варьировании материалов контактирующей пары. На основе полученных результатов сделана оценка эффективного коэффициента диффузии, характеризующего процесс случайной миграции положения зоны контакта в направлении, перпендикулярном приложенной сдвиговой деформации. Результаты расчетов находятся в хорошем согласии сданными, полученными в рамках микроскопической модели контакта, рассчитанной с помощью метода подвижных клеточных автоматов.

В издании изложены и обобщены рекомендации по подготовке шлифов для макро- и микроструктурного анализа, рассмотрены основные группы металлических материалов, включая стали на основе системы железо-углерод, стали и сплавы с особыми химическими свойствами, жаропрочные, тугоплавкие металлы и сплавы, даны основные сведения о строении и свойствах сплавов на основе титана, алюминия, меди и цинка. Изложены способы термической обработки сталей и сплавов и влияние различных структурных составляющих на свойства материалов, уделено внимание поверхностному упрочнению металлов и сплавов, и нанесению покрытий с особыми свойствами и их последующей обработке, приведены макро- и микроструктуры сварных соединений. Представлены атласы структур и изломов.

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.

Методом магнетронного осаждения получены нанокомпозитные покрытия на основе аморфного углерода, легированного титаном, никелем и хромом. Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа исследованы особенности микроструктуры и фазового состава указанных покрытий. Показано, что структура покрытий представлена наноразмерными частицами TiC и NiCr, находящимися в аморфной углеродной матрице. Рассматриваемые покрытия на подложке из титанового сплава повышают микротвердость в ~7 раз (до 14 ГПа) и снижают более чем в 2 раза (до мю0.2) коэффициент трения. Обсуждаются физические причины повышения твердости и снижения коэффициента трения, а также перспективы модифицирования фазового состава нанокомпозитных покрытий на основе аморфного углерода и возможности использования полученных покрытий на изделиях из титановых сплавов.

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.

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.

Изложены основы металловедения черных и цветных металлов и сплавов на их основе. Рассмотрены фундаментальные положения теории и технологии термической обработки сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Приведены основные закономерности формирования структуры и свойств всех групп промышленных сталей и сплавов, аморфных и радиационно-стойких сплавов, неметаллических материалов на основе полимеров, керамических и композиционных материалов. Даны рекомендации по их применению. Отдельный раздел посвящен металлическим и неметаллическим покрытиям в машиностроении. Описаны процессы коррозии, формирования и изменения строения и свойств сплавов при нормальных температурах и в условиях климатического холода, рассмотрена оценка конструкционной прочности металлов и пути ее повышения, изложены методология и принципы выбора материалов для конкретных деталей и изделий. В четвертом издании ( 10е изд. - 1999 г., 2-е изд. - 2002 г., 3-е изд. - 2004 г.) в главу "Стали и сплавы со специальными свойствами" введен дополнительный параграф 18.7 "Наноструктурированные материалы", полностью переработаны параграф 14.9 "Судостроительные стали" и раздел XI "Проблема выбора и применения материалов". Рекомендован в качестве учебника для студентов металлургических, машиностроительных и общетехнических вузов. Может быть полезен студентам вузов, обучающимся по смежным специальностям, а также преподавателям, инженерно-техническим работникам заводов, НИИ и проектно-конструкторских организаций.