Методы получения неметаллических покрытий медицинского назначения
В настоящее время для формирования кальций-фосфатных покрытий на поверхности титана предложен ряд методов:
- • осаждение из химического или физического пара;
- • технологии плазменного напыления;
- • ионно-плазменное напыление;
- • импульсно-пучковый метод;
- • электроннолучевая технология;
- • керамические (шликерный; золь-гель; эмалирование) методы;
- • электрохимическое оксидирование.
Биомиметическое формирование покрытий на титане
Биомимстическос формирование покрытий на титане заключается
в осаждении гидроксиапатита на предварительно обработанный металл в растворе SBF (Simulated Body Fluid), по своему составу соответствующему межтканевой жидкости, т. е. это метод воспроизведения процессов, происходящих в организме. Недостатком этого метода является его длительность. Для роста покрытия толщиной в несколько микрон требуется несколько недель.
Технологии плазменного напыления
Плазменное напыление - процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи. Плазменная струя - это частично или полностью ионизированный газ, обладающий свойством электропроводности и имеющий высокую температуру.
Для нанесения плазменных покрытий применяется низкотемпературная плазма.
Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подастся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия.
Плазменный процесс состоит из трех основных стадий:
- 1) генерация плазменной струи;
- 2) ввод распыляемого материала в плазменную струю, его нагрев и ускорение;
- 3) взаимодействие плазменной струи и расплавленных частиц с основанием.
Плазменным напылением наносятся износостойкие, антифрикционные, жаро-, коррозионно-стойкие и другие покрытия.
Напыление с помощью низкотемпературной плазмы позволяет:
- • использовать различные материалы: металлы, сплавы, окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные комбинации;
- • наносить их в несколько слоев, получая покрытия со специальными характеристиками;
- • улучшить качество покрытий. Они получаются более равномерными, стабильными, высокой плотности и с хорошим сцеплением с поверхностью детали.
К основным недостаткам метода нанесения покрытий напылением можно отнести малую эффективность и неэкономичность процесса напыления при нанесении покрытий на небольшие детали из-за больших потерь напыляемого материала. В таких случаях покрытие лучше наносить другими способами.
Наиболее простой вариант нагревателя газа представляет собой дуговой электрический разряд, горящий между двумя торцовыми электродами, обдуваемый газом в осевом или перпендикулярном направлении.
Среднемассовая температура нагретого газа 10000 К при работе на одноатомных газах и 4000...5000 К при работе на двухатомных газах (азот, водород).
Для нанесения плазменных покрытий применяются такие установки, как УПУ-ЗД, УМП-6, «Киев-7» и др. (табл. 5.1). Установки предназначены для получения плазменным напылением теплозащитных, жаростойких, электроизоляционных, износостойких и антикоррозионных покрытий из металлических порошков и керамики на внутренние и наружные поверхности тел вращения, а также на поверхности плоских изделий.
Таблица 5.1
Технические характеристики плазменных электродуговыхустановок
Параметры |
УПУ-ЗД |
УМП-6 |
«Киев7» |
Потребляемая мощность, кВт |
35 |
30 |
40 |
Максимальный ток дуги, А |
400 |
- |
250 |
Расход газов, м3/ч |
0,9-6,0 |
3,0-5,0 |
3,2-3,8 |
Рабочее давление газов, МПа |
0,3-0,4 |
0,4-0,5 |
0,12-0,18 |
Расход воды, м’/ч |
0,48-0,60 |
- |
0,66 |
Производительность распыления, кг/ч |
До 2 |
До 7 |
До 5 |
Размеры, мм |
1650 x 700x450 |
1640 х 1100 x 400 |
1600 х 600 х 600 |
Масса, кг |
200 |
265 |
350 |
Установка для плазменного напыления включает: распылитель (плазмотрон), источник питания, газораспределительную систему, механизм подачи материала, система охлаждения, пульт управления и различные элементы оснастки.
Важной конструктивной особенностью плазмотрона является место ввода напыляемого порошка. Напыляемый материал может вводиться в стол дуги, в анодный сопловой узел и за срез плазмотрона.
В качестве плазмообразующихся газов при нанесении покрытий используют аргон, азот, смесь аргона с азотом или водородом, реже применяют аммиак, гелий или смесь аргона с гелием.
Аргоновая плазма (ионизированный газ) имеет высокую температуру 15000. ..30000 К. Температура азотной плазмы ниже (10000... 15000 К), но имеет более высокое теплосодержание за счет поглощенной энергии диссоциации и ионизации, выделяемой при рекомбинации (при охлаждении газа в свободной плазменной струе).
Технологический процесс нанесения покрытий включает следующие операции:
- • предварительную подготовку поверхности изделия для обеспечения прочного сцепления напыляемого материала;
- • подготовку материала;
- • нанесение покрытия;
- • механическую обработку покрытия после напыления [28].
Для повышения адгезии покрытий поверхности детали необходимо придать шероховатость. С этой целью применяют струйнообразив- ную обработку, травление, электроискровые методы. Все чаще в последние годы используют нанесение подслоя из материалов, обладающих высокой адгезией к основному металлу.
Сцепление напыленного металла с горячими поверхностями прочнее, чем с холодными. В принципе, чем выше температура, тем прочнее адгезия.
Основное преимущество напыления - отсутствие структурных превращений и деформаций металла. Напылением получают покрытия толщиной до 2,0 мм. Деталь при этом не нагревается более 200...300 °С.
Применяемые материалы имеют отличный от материала основы коэффициент линейного расширения, достигающий больших значений (8... 16)- 10 6-К-1, что является причиной появления в покрытиях остаточных напряжений. Наибольшую опасность представляют растягивающие напряжения, так как предел прочности материалов на сжатие почти на порядок выше предела прочности на растяжение.
Покрытия имеют свойства сжиматься в процессе их нанесения в связи с усадкой. Возникают касательные напряжения в месте контакта, появляется тенденция к отрыву от буртиков на краях проточки.