Введение к работе
Актуальность работы. В современных приборах, агрегатах, изделиях медицинского назначения (в частности, в искусственных оріапах — им-шгантатах) широко используются материалы со специальными свойствами, обеспечивающими требуемое качество функционирования. Большая часть этих материалов трудно обрабатывается резанием, что затрудняет изготовление деталей сложной конфигурации с требуемой точностью Задача осложняется также тем, что в ряде случаев на поверхность деталей наносится специальное покрытие, несущее основную функциональную нагрузку и обладающее свойствами, существенно отличающимися от материала основы.
Важной задачей изготовления титановых деталей с покрытиями и, в частности, стоматологических имплантатов является обеспечение адгезионной прочности покрытий В технологию напыления покрытий входят два стохастических процесса, приводящих к снижению адгезии покрытий и ее равномерности абразивно — струйная подготовка поверхности перед напылением и собственно электроплазменное напыление покрытий При этом вследствие малой толщины внешнего биокерамического слоя и в 5 -10 раз большей толщины первого и промежуточного слоев именно эти внутренние слои вносят наибольший вклад в прочность покрытия. Кроме этого, абразивно - струйная обработка нарушает размерную точность, достигнутую механической обработкой, что усложняет обеспечение заданного натяга при установке имплантата Обеспечение точности необходимо для создания требуемого первичного натяіа при установке имплантага в костное ложе. Исключение абразивно — струйной подготовки поверхности нецелесообразно по причине резкого снижения адгезии покрытий на неподготовленную поверхность Разработанные методы финишной обработки биопокрытий связаны с необходимостью введения дополнительных операций и использованием специального оборудования, чш увеличивает трудоемкость и себестоимость изготовления имплантатов К тому же при электронлазменном напылении велика вероятность загрязнения покрытий продуктами эрозии анода и катода, что крайне нежелательно, т к увеличивает вероятность отторжения Формирование подслоя необходимо для обеспечения плавного изменения свойств от компактной металлической основы к пористому керамическому внешнему слою По это приводит, наряду с дополнительной неопределенностью процесса, к значительным энергозатратам, т к плазменное напыление требует значительной электрической мощности
Известные методы злектродуі овой и электроискровой металлизации позволяют получить высокую прочность соединения покрытия с основой без предварительной подготовки последней Однако вследствие гою, что перенос материала покрытия осуществляется капельным и струйно — капельным способом, покрытие получается высокоплошым, без сущее твен-
ной пористости, что не соответствует требованиям, предъявляемым к титановым покрытиям на деталях электронных приборов и имплантатах, которые должны иметь пористость не менее 30 %, создающую при достаточной адгезии максимальную площадь активной поверхности, с вполне определенным размером открытых пор Методы электродугового (электроискрового) нанесения высокопористых покрытий в настоящее время мало изучены
В соответствии с изложенным, проведение исследований и разработка методов повышения качества титановых изделий с покрытиями актуальны для науки и практики
Исследования по теме данной диссертационной работы выполнялись в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы»
Цель работы : повышение адгезионной прочности композиционного биоактивного покрытия дентальных имплантатов путем нанесения электроакустически модифицированного промежуточного слоя адгезионно-прочного покрытия с увеличенной контактной поверхностью
Задачи исследований:
Выполнить анализ альтернативных электроплазменному напылению методов формирования металлических покрытий с целью выбора наиболее эффективного процесса получения титанового подслоя Проанализировать методы формообразования сложных малоразмерных полостей в титане и сплавах на его основе и выбрать наиболее рациональную по критерию «точность - качество» схему обработки.
Разработать модель, адекватно описывающую процесс формирования титанового подслоя с заданными параметрами морфологии и структуры электроискровым методом с воздействием ультразвука на основу.
Исследовать влияние электрических и акустических параметров процесса на физико-химические свойства получаемого покрытия при электроискровом нанесении с воздействием ультразвука и электроэрозионной обработке сложных полостей малых размеров в титане титановыми электродами, сформированными ультразвуковым деформированием
Разработать технологический процесс изготовления высокоточных титановых стоматологических имплантатов с использованием электрофизических методов, включающих формирование титанового подслоя путем электроискрового нанесения с воздействием ультразвука под последующее электроплазменное напыление биокерамического покрытия на титановом подслое, формирование сопрягаемых профильных элементов путем электроэрозионной обработки с воздействием ультразвука
Методы и средства исследований. При выполнении исследований использованы основные положения теории электроплазменного напыления, электродуговой металлизации и электроэрозионных процессов, а также физики ультразвука Адгезию покрытия определяли методом царапания
на специальной установке. Обработку результатов измерений и расчет теоретических моделей проводили с использованием ЭВМ При проведении экспериментов и исследовании образцов различными методами применялось оборудование электроискровой прошивочный станок модели СЭП Р-6 5-002, ультразвуковой генератор УГТ-902, токарный станок 1И611П, установка электроплазменного напыления типа ВРЕС, ультразвуковой прошивочный станок 4Д722Э, установка электроискрового нанесения покрытий ЭФИ-46А, профилограф-профиломегр «Калибр» моделей 170011 и 1700623, компьютерный анализатор изображений микроструктур АГПМ-6М, установка масс-спектрометрического анализа ВИМС, пиброизмери-тельный стенд фирмы «Robotron», дифрактометр ДРОН-4.
Научная новизна: заключается в установлении физических закономерностей влияния ультразвука на процессы электроискрового нанесения пористого подслоя соединений титана на титановую основу. При этом установлено следующее
Теоретически и экспериментально обоснован метод электроискрового нанесения покрытий соединений титана на титановую основу при сообщении последней ультразвуковых колебаний, обеспечивающего увеличение адгезионной прочности, формирование его регулярной структуры и микрорельефа
На основе решения задачи нестационарной теплопроводности получена модель, адекватно описывающая формирование слоя покрытия, сплавленного с основой, и позволяющая прогнозировать параметры толщины покрытия, глубины проплавлення основы в зависимости от электрического режима процесса и образование пористой структуры покрытия с определенным преимущественным размером пор с учетом акустических параметров процесса, позволяющая рекомендовать технолої ические режимы
3. Установлен факт значительного (более 12 %) снижения количества некоторых соединении в титановом покрытии при воздействии ультразвука в процессе электроискрового нанесения по сравнению с другими методами и дано качественное его обоснование
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:
1. Разработан технологический процесс электроискрового нанесения на поверхность малогабаритных деталей слоя соединений титана с воздействием ультразвука и определены его режимы, обеспечивающие адгезионную прочность на уровне 39 МПа, порисгую структуру с пористостью // 35 - 40 %, радиусом пор 11 мкм и точность размера не хуже 12 мкм
2 Разработан технологический процесс электроискрового формообразования сложнопрофильпых полостей с сообщением электроду-инструменту ультразвуковых колебаний, позволяющий обеспечить погрешность
поперечного размера полости не более 5 - 6 %, шероховатость поверхности Rz не более 3 мкм
3 Предложены технические решения по созданию автоматизированного оборудования электроискровой размерной обработки и нанесения покрытий с воздействием ультразвука
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись в виде докладов на 4 конференциях различного уровня
1) 7-й Международной конференции «Современные проблемы
импланталогии» (Саратов, 2004),
2) Всероссийской научно-технической конференции «Современная
электротехнология в промышленности России» (Тула, 2005),
8-й Международной конференции «НТСИ'06» (Саратов, 2006) ;
2-й Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2006)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 работ, в том числе 1 в журнале, рекомендованном ВАК Минобразования и науки РФ
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 158 наименований и приложений Содержание работы изложено на 176 страницах машинописного текста, включает 70 рисунков и 17 таблиц
