Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема повышения адгезии электроплазменных порошковых покрытий 8
1.1. Особенности нанесения покрытий методом электроплазменного напыления- 8
1.2. Методы повышения прочности сцепления покрытий сосновой 18
1.3. Выбор материала подслоя и совершенствования технологин электроплазменного напыления - 29
1.4. Выводы 32
1.5 Задачи исследований 33
2. Оценка возможности повышения прочности соедине ния электроплазмеиного покрытия после нанесения подслоя и плазмотермической обработки - 34
2.1. Выбор состава подслоя для повышения прочности со единения покрытия с сохранением заданной морфологии и пористости- 35
2.2. Кинетика роста фазы расплава в зоне контакта осно ва/подел ой/покрытие - 38
2.3. Выводы 52
3. Исследование физико-механических свойств электроплазменных покрытий после плазмотермической обработки 53
3 1. Объекты и методы исследований 53
3.2. Методика проведения эксперимента 55
3.3. Порядок проведения исследований 59
3.4. Выбор параметров управления процессом формированияпокрытий 60
3.5. Построение эмпирической зависимости 62
3.6. Исследование морфологии и структуры покрытий, нане-сенных на подслой TiNi 72
3.7. Исследование влияния режимов напыления подслоя и плазмотермической обработки на свойства покрытий 78
3.7.1. Исследование влияния технологических режимов электроплазменного напыления подслоя на формирование покры тия и плавление переходной зоны 78
3.7.2. Исследование морфологии, структуры и параметров
шероховатости покрытий 83
3.7.3. Исследование пористости и прочности соединения 93
3.7.4. Исследование микротвердости и фазового состава 101
3.7.5. Исследование коррозионного потенциала 114
3.8. Выводы 118
4. Технология формирования покрытий с повышенной прочностью соединения электроплазменным напылением с плазмотермической обработкой 120
4.1. Технологические рекомендации по электроплазменному напылению титановых покрытий с подслоем TiNi на титановые дентальные имплантаты и их плазмотермической обработке 120
4.2. Технико-экономическая оценка практического использования результатов исследований - 131
4.3. Выводы 133
Заключение 134
Приложение 137
Список литературы 140
- Выбор материала подслоя и совершенствования технологин электроплазменного напыления
- Кинетика роста фазы расплава в зоне контакта осно ва/подел ой/покрытие
- Исследование влияния режимов напыления подслоя и плазмотермической обработки на свойства покрытий
- Технико-экономическая оценка практического использования результатов исследований
Введение к работе
Тенденцией развития современного производства является использование новых конструкционных материалов: сплавов на основе титана, никеля, тугоплавких металлов и др. Из-за высокой стоимости и трудностей формообразования вышеперечисленные материалы чаще применяются в виде покрытий, сформированных на наиболее ответственных поверхностях деталей, изготавливаемых из легкообрабатываемых и дешевых материалов. Наиболее технологичным, позволяющим наносить покрытия из любых материалов с заданным комплексом свойств, является, как показывают многочисленные исследования, метод электроплазменного напыления [1-4]. Выполненные Н. Н. Рыкалиным, В. В. Кудиновым, Ю. А. Харламовым комплексные исследования процессов плазменного напыления заложили теоретические основы получения покрытий с заданными свойствами, позволилисоздать общую методологию их контроля и регулирования, разработать критерии создания технологических процессов и оборудования электроплазменного напыления.
На кафедре «Материаловедения и высокоэффективных процессов обработки» СГТУ под руководством профессора В. Н. Лясникова проведены исследования влияния параметров процесса плазменного напыления на структуру и свойства покрытий из титана и гидроксиапатитовои керамики, применяемых при изготовлении внутрикостных стоматологических имплантатов, исполняющих роль несъемного протеза и рассчитанных на долговременное восприятие циклических нагрузок [1], оптимальной конструкцией которых считается комбинированная - компактная основа и пористое покрытие, которая обеспечивает требуемую механическую прочность, биосовместимость и высокую функциональную надежность.
Покрытия на имплантатах должны обладать комплексом часто взаимоисключающих свойств: высокой адгезией; пористостью не менее 40%, достаточной для прорастания в них костной ткани; развитой морфологией; хорошей биосовместимостью. Однако при таких параметрах структуры не всегда дости-
5 гается требуемая прочность сцепления плазмонапыленных покрытий с основой. Известные методы повышения прочности сцепления не решают проблемы, поскольку рост пористости покрытия при этом вызывает снижение прочности соединения из-за уменьшения общей площади участков взаимодействия частиц с основой, а использование расплавляемого подслоя, в том числе из эвтектического сплава, приводит к неуправляемым изменением пористости и морфологии покрытия. Чтобы исключить опасность протекания указанных процессов, необходимо создать такие условия, при которых нагрев мог бы привести к диффузионному изменению состава подслоя на границах его контакта с материалом основы и с материалом покрытия, так что состав подслоя в указанных зонах имел бы температуру плавления ниже, чем материал основы и покрытия (контактное плавление), другими словами необходимо обеспечить сплавление основы, подслоя и покрытия только в зоне их контакта и исключить его в остальном объеме.
В связи с этим разработка процесса получения плазмонапыленных пористых, с развитой морфологией покрытий сплавленных с основой с высокой прочностью сцепления на базе комплексных исследований процессов диффузии в покрытии и основе при электроплазмотермической обработке (контактного плавления) и установления влияния на их свойства режимов электроплазменного напыления и обработки, является весьма актуальной научно-технической проблемой.
Цель работы заключается в повышении качества изделий приборостроения и медицинской техники с плазмонапыленными покрытиями на основе разработки технологии электроплазменного напыления и плазмотермической обработки высоко пористых титановых покрытий, сплавленных с основой, с применением специального подслоя, обеспечивающих повышение прочности соединения.
Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований решена задача, связанная с повышением прочности соединения порошковых покрытий с развитой морфологией и открытой пористостью на основе титана, получаемых электро плазме иным напылением, путем сплавления в зоне контакта покрытия и подслоя, подслоя и основы.
При этом наиболее важными результатами являются следующие: впервые предложен и обоснован способ повышения прочности соединения плазмонапыленных порошковых титановых покрытий с развитой морфологией и открытой пористостью, заключающийся в нанесении их на подслой ни-келида титана состава 51-61 % Ni и 49-39 % Ті и проведении плазмотермиче-ской обработки покрытия в диапазоне температур ЛТ= 955-1110 С; получена математическая модель, описывающая кинетику роста фазы расплава в зоне контакта основа - подслой — покрытие в зависимости от свойств материала подслоя, основы, покрытия, электрических параметров плазменного напыления, дисперсности напыляемых частиц, режимов плазмо-термической обработки и электрических параметров плазменной дуги при обработке струей плазмы, позволяющая прогнозировать свойства покрытия, при контактном плавлении в зонах основа-по дел ой и подслой-покрытие и исключать его в остальном объеме основы, подслоя и покрытия; установлено, что наибольшее влияние на прочность соединения покрытия в условиях нанесения его на подслой специального состава и плазмотерми-ческой обработки оказывают ток дуги плазмотрона, дистанция напыления при нанесении подслоя, а также время плазмотермической обработки. Получена эмпирическая зависимость, адекватно описывающая процесс в диапазоне изменения параметров электроплазменного напыления 1=100-400 A, L=50-100 мм; определены оптимальные параметры процесса электроплазменного напыления и плазмотермической обработки, обеспечивающие повышение прочности соединения в 1,5-2 раза при сохранении развитой морфологии и пористости покрытий (30-40%) по сравнению с другими способами повышения прочности соединения.
7 Практическая ценность и реализация результатов работы:
На основе предложенного и разработанного способа повышения прочности соединения плазмонапыленных порошковых титановых покрытий с развитой морфологией и открытой пористостью при нанесении их на подслой нике-лида титана состава 51-61 % Ni и 49-39 % Ті и проведении плазмотермической обработки в диапазоне температур ЛТ= 955-1110 С разработана технология электроплазменного напыления и плазмотермической обработки покрытий, обеспечивающая повышение качества изделий с покрытиями, за счет получение высокой прочности соединения (до 60 МПа) при сохранении развитой морфологии и открытой пористости покрытий (до 30-40 %).
Полученные результаты могут быть использованы в различных отраслях промышленности при получении покрытий, в том числе пористых, с развитой морфологией, в частности на медицинские изделия (стоматологические им-плантаты).
Результаты работы внедрены в НПА «Плазма Поволжья» при изготовлении внутрикостных стоматологических имплантатов с биопокрытиями, полученными электроплазменным напылением.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
Использование при получении плазмонапыленных покрытий в качестве материала подслоя двойного сплава, режимы электроплазменного напыления, плазмотермической обработки и состав которого подбирают таким образом, чтобы в зонах контакта основа-подслой, подслой-покрытие за счет диффузионных процессов образовывалась эвтектика и происходило ее плавление, а структура и морфология остальной части основы, подслоя, и покрытия не изменялись, обеспечивает повышение прочности соединения.
Учет режимов электроплазменного напыления и плазмотермической обработки, пористости, площади контакта частиц напыляемого материала с основой и между собой, кинетики роста фазы расплава в зонах контакта основа-подслой, подслой-покрытие в модельных представлениях позволяет установить
8 взаимосвязь между прочностью соединения, свойствами материала, электрическими параметрами процесса плазменного напыления и обработки и адекватно описать процесс, что дает возможность прогнозировать толщину фазы расплава и получать покрытия с развитой морфологией, высокой пористостью и сплавленные в зонах контакта.
3. Полученное соотношение параметров технологического процесса электроплазменного напыления (подслоя: 1=280-300 A, L=80 мм; покрытия: 1=540-560А, L=100mm) и обработки струей плазмы (I=280-300A, L=50 мм, to6p=7-10 мин) обеспечивает повышение прочности соединения на 80-100%, при снижении пористости покрытия на 5-10% по сравнению с другими способами повышения прочности соединения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 186 источников, изложена на 157 страницах машинописного текста, включая 51 рисунок, 18 таблиц.
Автор искренне благодарен за помощь в работе над диссертацией научному руководителю д. т. н. профессору Лясникову В. Н. и к. т. н. доц. Казин-скому А. А.
Выбор материала подслоя и совершенствования технологин электроплазменного напыления
К материалам, применяемым в медицине, в частности в имплантологии, предъявляются высокие требования, поэтому при выборе материала подслоя или покрытия необходимо учитывать все его свойства и их влияние на качество изделия и его длительное функционирование.
В случае получения пористого, с высокой прочностью соединения покрытия на внутрикостных титановых имплантатах наиболее подходящим материалом покрытия или подслоя является сплав никелида титана (TiNi).
Выбор в качестве материала покрытия или подслоя сплава никелида титана обусловлен следующими его свойствами:1) Диаграмма состояния этой системы представлена на рис. 1.2. Линии ликвидуса и солидуса проходят через три эвтектические точки, соответствующие: первая - 24 атомн,% Ni и 955 С; вторая - 60 атомн.% Ni и 1110 С и третья - 81 атомн.% Ni и 1287 С. Между этими эвтектическими точками кривая ликвидуса проходит через перитектическую точку, соответствующую 33 атомн.% Ni и 1015 С, и два дистектических максимума, соответствующих: первый - 50 атомн.% N1, т, е. соединению TiNi, и 1240 С и второй -15 атомн.% Ni, т. е. соединению TiNi3, и 1378 С. Следовательно, в системе образуется три соединения: Ti2Ni, плавящееся инконгруэнтно, и TiNi и Ті№ь плавящиеся конгруэнтно. Никель понижает температуру полиморфного превращения титана до 770 С при содержании 4 атомн.% (эвтектоидная точка). Растворимость никеля (в виде Ti2Ni) в а-титане при эвтектоидной температуре составляет не больше 0,1 атомн.%; в р-титане растворимость никеля достигает максимального значения (11 атомн.%) при эвтектической температуре 955 С [7].
В случае использования подслоя TiNi для увеличения прочности соединения пористого титанового покрытия с титановой основой или покрытия из TiNi целесообразно использовать эвтектический сплав с минимальной, согласно диаграмме состояния, температурой плавления 955 С, которая значительно ниже температуры плавления основы и покрытия из титана, температура плавления которого 1665±5 С [6]. Это дает возможность проводить целенаправленный нагрев, при температуре исключающей расплавление основы и покрытия из титана, в результате которой расплавляется лишь подслой с сохранением исходной морфологии и пористости самого покрытия.
Рис, 1.2. Диаграмма состояния сплавов титан-никель: Ті=955 С — наименьшая температура плавления эвтектического сплава p+Ti Ni; То =1110 С — температура плавления эвтектического сплава T Ni+TiNi; Сі=45 % Ті, 55 % Ni - состав сплава подслоя; Сг-65 % ТІ, 35 % Ni — состав диффузионной прослойки2) По единодушному мнению исследователей, сплавы на основе никелида титана отвечают трем основным требованиям, без соответствия которым ни один материал не может считаться пригодным для введения в организм человека. Это, во-первых, высокая антикоррозионная устойчивость [8, 9]; во-вторых, отсутствие токсичности, канцерогенности; в-третьих, наличие механических свойств, близких к свойствам живых тканей [10]. При испытании в 3,7 об. % НС1 и 5 об. % НЖ)э коррозионная стойкость сплавов на основе никелида титана заметно выше, чем у нержавеющей стали 12Х18Н10Т и титана. Так, токи растворения никелида титана в 3,7 об. % НС1 примерно в два и тысячу раз меньше по сравнению с титаном и нержавеющей сталью 12X18Н10Т соответственно. Кроме указанных свойств сплавы никелида титана немагнитны, обладают высокой стойкостью к износу [11] и кавитации, хорошими демпфирующими и противоударными свойствами [12, 13, 14], совместимы с биологическими тканями [27]. Эти сплавы используются в травматологии, ортопедии, стоматологии, нейрохирургии и других областях медицины, как в качестве изделий, так и в качестве покрытий на изделия [15-26, 28-30].
Экспериментальными исследованиями на животных Ф.Т. Темерхановым, С. Л. Хмелевым, В, Н, Олесовой доказано, что имплантаты из пористого нике-лида титана хорошо переносятся тканями, обладают высокой биологической инертностью, нетоксичны, то есть отвечают одному из наиболее существенных требований, предъявляемых к имплантатам. Результаты исследований [31] показали также биосовместимость с тканями организма композиционного материала "стоматологический фарфор-никелид титана".
Недостатком использования в качестве подслоя или покрытия эвтектического сплава TiNi является то, что при целенаправленном нагреве происходит плавление эвтектики во всем объеме подслоя или покрытия, что приводит к расплавлению покрытия и изменению его морфологии и пористости. Поэтому необходимо подобрать материал подслоя (покрытия) и режимы его нанесения таким образом, чтобы после нагрева происходило его расплавление лишь в областях контакта «основа - подслой», «подслой - покрытие». В этой связи комплексное исследование режимов нанесения подслоя TiNi, плазмотермической обработки покрытий и их влияния на структурные и физико-механические свойства плазмонапыленных покрытий из титана, в частности на морфологию, параметры шероховатости, фазовый состав, пористость и прочность соединения покрытия с основой, может быть весьма информативным и полезным.1. Плазменное напыление, являясь универсальным методом получения различных покрытий с требуемым комплексом свойств, имеет и свои недостатки: - для покрытий, полученных методом электроплазменного напыления неизбежны остаточные напряжения;- изменяется содержание газовых примесей в обрабатываемых материалах, плазменные покрытия отличаются повышенным содержанием активных газов;- существенно снижаются прочностные характеристики, плотность напыляемых материалов, а также иногда не обеспечивается требуемое сцепление покрытия с основой.2. Пористость покрытий, полученных методом плазменного напыления, ограничивается условиями прочности сцепления его с основой. Так как при достаточно большом проценте пористости покрытия снижается площадь истинного контакта, полная площадь участков химического взаимодействия, а вследствие этого уменьшается адгезионная прочность.3. Применение изделий с пористыми покрытиями в современной медицине возможно только при условии достаточной прочности сцепления покрытия с основой. Поэтому получение пористых, с развитой морфологией покрытий с высокой прочностью сцепления с основой обеспечит прочную и длительную фиксацию имплантата и его нормальное функционирование в организме.4. Использование плазмотермической обработки плазмонапыленных покрытий позволит уменьшить содержание в них газов, снять остаточные напряжения и получать пористые покрытия с высокой прочностью соединения с основой, что требует комплексного исследования влияния режимов напыления подслоя и плазмотермической обработки на свойства плазмонапыленных покрытий.
Кинетика роста фазы расплава в зоне контакта осно ва/подел ой/покрытие
Рассмотрим контакт компактного металла А с плазмонапыленным подслоем АхВуи плазмонапыленным порошковым покрытием А. Считаем, что металл А более диффузионноспособен по сравнению с В, т. е. идет диффузия атомов из компактного и плазмонапыленного порошкового металла А в плазмона-пыленный подслой АхВу. В результате процесса диффузии в областях контакта компактного и плазмонапыленного металла А с подслоем АхВу образуются пересыщенные твердые растворы и эвтектический расплав Ах+а Byfe. В дальнейшем в результате процессов растворения, диффузии в расплаве, адсорбции и диффузии в твердом теле образуются твердые фазы, контактирующие с раствором металлов А и АхВу в расплаве.
Для корректного описания кинетики роста жидкой фазы на контакте Ак/ АХВУ / Апор требуется совместное решение уравнений диффузии в твердой и жидкой фазе с движущейся границей, учета адсорбции жидкой фазы на границе, диффузии атомов металла вглубь твердой фазы, что не отвечает ни одному из известных типов краевых задач. Поэтому применим к решению данной задачи упрощенный подход, изложенный в [135].
При таком подходе входящий в твердый металл подслоя поток атомов металла основы и покрытия прямо пропорционален скачку химического потенциала атома металла основы на границе раздела и обратно пропорционален эффективной толщине фазы расплава h. Для данного потока фаза расплава является и «сопротивлением», определяющим величину потока (через И), и «поглотителем». Вследствие этого фаза увеличивает размеры и обогащается компонентом .
При температуре Г, меньшей температуры плавления А и АХВУ, за время г толщина прослойки жидкой фазы Ах+а Ву+в на границах с А составляет h(z) L, где L — полуширина исходного плазмонапыленного слоя АХВУ (рис. 2.1).
Далее, следуя приближенному подходу, изложенному в [135], запишем выражение для потока атомов А в образующийся расплав Ах+аВу+в:где г-растворимость А в расплаве Ах+а Ву+в, р0-плотность расплава Аха Ву+е, D0-коэффициент диффузии атомов А в расплаве Ах+а Ву+в и Аа - перепад активности атомов А в пределе полуширины слоя Ах Ву.
Очевидно, что этот поток должен быть равен потоку атомов А в твердой фазе (омпактного) металла А [135]:где кБ — постоянная Больцмана, р- плотность металла A, D- коэффициент самодиффузии атомов А в (компактном) металле, С - мольная доля А на границе (компактного) металла с расплавом Ах+а Ву+е и а- степень насыщения этой границы атомами А.
В выражении (2.2) множитель в квадратных скобках представляет собой термодинамическую силу, обеспечивающую диффузию атомов А в расплав Ах+а Ву+в, а множитель в круглых скобках отвечает подвижности атомов А. J Уравнения (2.5), (2.7) определяют функции С(т) и h(x). Однако эти урав нения не учитывают площади контакта взаимодействующих металлов. Между тем площадь контакта оказывает значительное влияние на процесс роста фазы расплава. Поэтому вводим новую функцию F(x) — площадь контакта, изменяющаяся во времени, умножая на нее левые части уравнений (2.5), (2.7). Таким образом, получаем систему уравнений следующего вида:
Функция F(T) зависит от времени, в начальный момент времени при рассмотрении контакта плазмонапыленного покрытия с основой площадь контакта минимальная и равна F0 - начальная площадь контакта покрытия и основы. По истечении какого-то времени площадь контакта увеличивается, так как расплав, появляющийся в месте контакта смачивает частицу и основу и растекается по их поверхности [118]. Безразмерно площадь контакта основы и покрытия можно выразить как:где П — пористость покрытия. Как уже упоминалось выше площадь контакта, а следовательно и пористость будет изменяться с течением времени. На основе экспериментальных данных по измерению пористости покрытия П, при различной продолжительности плазмотермической обработки построена следующая зависимость пористости покрытия от времени плазмотермической обработки:Анализ этого графика позволяет получить зависимость следующего вида:где П0 — пористость покрытия до плазмотермической обработки, К— эквивалент 0.11 м2/с2, t- время плазмотермической обработки.
Подставляя (2.10) в (2.9) получим зависимость площади контакта от времени плазмотермической обработки:где F0 =1-П0 - площадь контакта покрытия и основы до плазмотермической обработки.
Решение системы (2.8) упрощается в частных случаях. В случае малорастворимого металла А:
Если для этого случая решить систему (2.8) без учета F(x) в приближениито получим:где М = Акау. где рч — плотность материала частицы, образующего покрытие; Уч - скорость частицы на оси плазменного потока; ат — поверхностное натяжение расплава частиц; р - краевой угол смачивания расплава частиц; rt - радиус частицы при подлете к основе.
Температурная зависимость значения поверхностного натяжения частицы материала аш согласно [67] описывается уравнением:где (т№1о- поверхностное натяжение при температуре Т0, Т0 - температура плав ления, 0-(=0.1-10 Дж/(м -К) - температурный коэффициент, Тч— температура частицы.
Температура частицы может быть определена по формуле для количества теплоты, необходимого для нагрева какого-либо объема материала [25]где тч - масса частицы, сч — теплоемкость материала частицы, Хч — удельная теплота плавления материала частицы, Тч и Тчо - соответственно конечная и начальная температура частицы.
Масса частицы может быть определена следующим образом:где рч— плотность материала частицы, гч - радиус частицы.
Количество теплоты, вводимое в частицу плазменной струей можно определить как:чгде ц — к.п.д. плазменной струи (тепловой), U - напряжение электрической дуги плазмотрона, /-ток электрической дуги плазмотрона, t=L/V4 — время нахождения частицы в плазменной струе, L — дистанция напыления, Уч - скорость частицы.Приравняв правые части выражений (2.22), (2.24) с учетом (2.23) получим формулу для определения температуры частицы Тч при подлете к основе:
Исследование влияния режимов напыления подслоя и плазмотермической обработки на свойства покрытий
Результаты теоретических исследований показали, что изменение тока электрической дуги и дистанции напыления при нанесении подслоя влечет изменение толщины переходной зоны. Поэтому необходимо экспериментально подтвердить влияют ли технологические режимы напыления подслоя на параметры образования переходной зоны.
Выбор дисперсности используемого для напыления подслоя порошка никелида титана (40 мкм) обусловлен тем, что порошки размером 30-70 мкм хорошо проплавляются в струе плазмы. То есть, в факеле плазмы происходит полное расплавление частиц порошка до капельно-жидкого состояния. Это обеспечивает более плотный контакт частиц с основой при соударении с ее поверхностью и позволяет получить покрытие с небольшим процентом пористости, что способствует достижению плотного физического контакта покрытия с основой [74].
Диапазон изменения дистанции напыления подслоя объясняется существующими данными [74]: при увеличении дистанции напыления 100 мм прочность сцепления, т.е. физического контакта частиц с основой ослабевает вследствие их охлаждения и торможения; при дистанциях 50 мм так же наблюдается ослабевание прочности сцепления из-за того, что частицы не успевают приобрести необходимую скорость, а основа сильнее окисляется. После статистической обработки результатов исследований получены зависимости толщины образующейся переходной зоны от времени плазмотермиче-ской обработки и технологических режимов напыления подслоя никелида титана, которые представлены в табл. 3.6.
Анализ полученных данных позволяет отметить, что с увеличением тока электрической дуги (I — в диапазоне 150-280 А) и дистанции напыления (L — в диапазоне 50-80 мм) при формировании подслоя, наблюдается увеличение толщины переходной зоны, образующейся при последующей плазмотермической обработке покрытия (рис. 3.11-3,13).
Рис. 3.12. Влияние тока электрической дуги (I) и времени плазмотер-мической обработки (t) на толщину переходной зоны (h), при дистанции напыления L=80 мм
Рис. 3.13. Влияние тока электрической дуги (I) и дистанции напыления (L) на толщину переходной зоны (h), при времени плазмотермической обработки t= 10 мин
Это связано с достижением более плотного контакта, т. е. увеличением площади контакта частиц напыляемого материала с основой. Что обусловлено лучшим проплавлением частиц порошка в струе плазмы при увеличении тока дуги и дистанции напыления, приводящим к структурным изменениям частиц. При ударе об основу проплавленные частицы порошка интенсивно деформируются и растекаются по основе и, следовательно, площадь контакта с основой увеличивается, что в свою очередь увеличивает скорость диффузии при последующем нагреве. Увеличение скорости диффузии объясняется также увеличением искаженности кристаллической решетки и появлением большого количества различного типа дефектов кристаллического строения.
На рис. 3.11 - 3.14 приведены результаты экспериментального металлографического определения зависимости толщины переходной зоны h от тока дуги, дистанции напыления при нанесении подслоя и времени нагрева для системы Ti0CH/TiNi/Tin0Kp при 1050 С. Величины h отсчитывались от хорошо различимой границы расплава Tit+xNi с основой 77 (рис. 3.15).
Рис. 3.15 Микроструктура и толщина переходной зоны (h) титановая основа - подслой никелида титана при времени плазмотермической обработки: а) 3 мин, б) 5 мин ( 200); в) 10 мин, г) 15 мин (х80) Приr(r0 =1,44мин зависимость h-4v асимптотически приближается кначалу координат, а при г)гщ=12 мин достигается полное проплавление прослойки никелида титана (рис. 3.15, г), что показано соответствующими пунктирными линиями на рис. 3.14 и обусловлено появлением существенных количеств фазы Ti2Ni. Кроме этого, при т)тх начинается интенсивная диффузия Ni в компактный и плазмонапыленный 77, сопровождающаяся кристаллизацией расплава (рис. 3.15, г). Поэтому оптимальное время нагрева границы Ti0CJTiNi/Tin0Kp не должно превышать 10-12 мин при 1050 С.
Технико-экономическая оценка практического использования результатов исследований
Имплантаты, изготовленные на базе НПА «Плазма Поволжья» в СГТУ, по физико-механическим свойствам и техническим параметрам не уступают некоторым зарубежным аналогам, а по экономической эффективности процесса изготовления даже превосходят их. Поэтому целью этой главы является определение экономической эффективности производства имплантатов с плазмона-пыленным биопокрытием и повышенной прочностью соединения по предлагаемой технологии.Исходные данные для расчета:Годовая программа выпуска имплантатов - 10000 штук;Стоимость 1 кВт/ч энергии — 90 коп;Режим работы участка — в одну смену;Премия основных рабочих - 30 % от зарплаты;
Дополнительная зарплата рабочих - 10 % от основной;Толщина подслоя TiNi - 50 мкм, Ті покрытия - 125 мкм,ГА покрытия - 50 мкм; Амортизационные отчисления на здания и сооружения 2,4 % от их стоимости; Амортизационные отчисления на оборудование 11 % от его стоимости; Расходы на доставку оборудования — 0,5 % от стоимости; Расходы на монтаж оборудования - 15 % от стоимости. Себестоимость технологической операции плазменного напыления и плазмотермической обработки покрытий складывается из следующих основных статей: стоимость основных материалов (табл. 4.1); затраты на электроэнергию, потребляемую на технологические цели; заработная плата производственных рабочих; дополнительная заработная плата производственных рабочих. 1. На основе разработанного способа повышения прочности соединения плазмонапыленных порошковых титановых покрытий с развитой морфологией и открытой пористостью при нанесении их на подслой никелида титана разработана технология электроплазменного напыления покрытия и сплавления покрытия с подслоем и подслоя с основой, обеспечивающая прочность соединения 40-50 МПа и пористость 30-40 % при токах напыления подслоя 280-300 А и основного покрытия 540-560 А и проведении плазмотермической обработки134 при токе электрической дуги плазмотрона 280-300 А, расстоянии от плазмотрона до поверхности покрытия 50 мм и времени обработки 5-7 минут.2. Произведен расчет экономического эффекта получения покрытий на имплантатах по предлагаемой технологии, который показал экономическую целесообразность производства титановых дентальных имплантатов с плазмо-напыленным биоактивным покрытием с повышенной прочностью соединения.
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса электроплазменного напыления подслоя и его сплавления с основой и покрытием, необходимого для повышения прочности соединения, за счет варьирования режимов электроплазменного напыления подслоя и плазмотермической обработки в струе аргоновой плазмы или в электрических печах с защитными технологическими средами. В результате проведенной работы решена важная научно-практическая задача, имеющая существенное значение для развития промышленности в части техники электро плазм енно го напыления и повышения качества изделий различного назначения. Это обосновывается следующими результатами:1. Обоснована возможность обеспечения сплавления подслоя с основой и покрытием только в зоне их контакта с сохранением необходимой морфологии и открытой пористости покрытия.2. Использование при получении плазмонапыленных покрытий в качестве материала подслоя двойного сплава, режимы электроплазменного напыления, плазмотермической обработки и состав которого, подбирают таким образом, чтобы в зонах контакта основа-подслой, подслой-покрытие за счет диффузионных процессов образовывалась эвтектика и происходило ее плавление, а структура и морфология остальной части основы, подслоя, и покрытия не изменялись, обеспечивает повышение прочности соединения.3. Учет режимов электроплазменного напыления и плазмотермической обработки, пористости, площади контакта частиц напыляемого материала с основой и между собой, кинетики роста фазы расплава в зонах контакта основа-подслой, подслой-покрытие в модельных представлениях позволяет установить взаимосвязь между прочностью соединения, свойствами материала, электрическими параметрами процесса плазменного напыления и обработки и адекватно описать процесс, что дает возможность прогнозировать толщину фазы расплава и получать покрытия с развитой морфологией, высокой пористостью и сплавленные в зонах контакта.4. Установлено определяющее влияние на толщину фазы расплава тока дуги, дистанции напыления и продолжительности плазмотермической обработки.5. Получена эмпирическая зависимость, отражающая влияние тока дуги и дистанции напыления подслоя и продолжительности плазмотермической обработки на прочность соединения плазмонапыленных титановых покрытий, нанесенных на подслой никелида титана и позволяющая определить оптимальные режимы электроплазменного напыления подслоя и покрытия и плазмотермической обработки.6. Доказано образование переходной зоны состава Ti2Ni-bTiNi в месте контакта основа-подслой и подслой-покрытие, при электроплазменном напылении титанового покрытия через подслой никелида титана на титановую основу с последующей плазмотермической обработкой, в результате диффузии титана и никеля в твердой фазе и образования областей эвтектического состава, обеспечивающих сплавление подслоя с основой и покрытием только в зонах их контакта, и исключая его в остальном объеме основы, подслоя и покрытия.7. На основе разработанного способа повышения прочности соединения плазмонапыленных порошковых титановых покрытий с развитой морфологией и открытой пористостью при нанесении их на подслой никелида титана разработана технология электроплазменного напыления покрытия и сплавления по
