Влияние режимов обработки ускоренными ионами азота на структуру электроплазменного покрытия и физико-механические свойства титана Муктаров, Орынгали Джулдгалиевич

Введение к работе

Актуальность работы. Отражением современных тенденций развития производства в мире является применение конструкционных материалов, обладающих комплексом разнообразных физико-химических и механических свойств, а также применение специальных электроплазменных покрытий с заранее заданными характеристиками, способных нести основную функциональную нагрузку. Основными областями применения таких материалов являются машиностроение, приборостроение, ракетно-космическая, авиационная и ядерная техника.

Для получения высококачественных электроплазменных покрытий с заданными свойствами требуется совершенствование существующих и разработка принципиально новых технологических процессов, направленных на изменение физико-механических и химических свойств поверхностного слоя материала. К тому же большое значение для повышения качественных характеристик покрытий имеет совершенствование технологий предварительной обработки поверхности материала перед напылением.

Технологии модификации поверхности с использованием ионных потоков находят широкое применение в различных областях промышленности, вместе с традиционным использованием ионного легирования в полупроводниковой промышленности, ионные технологии интенсивно используются для повышения защитных и прочностных свойств изделий. Большой вклад в развитие и исследование технологий ионного легирования внесли выдающиеся электротехнологи такие как Гусева М.И., Козейкин Б.В., Дорфман В.Ф., Соколова Е.Б., Зорина Е.И., Фролова А.И., Павлова П.В. и др.

Однако в настоящее время не исследовано влияние ионной обработки в заданной атмосфере на структуру и физико-механические свойства электроплазменного покрытия и технически чистого титана.

Цель работы: обеспечить высокие физико-механические и заданные структурные свойства электроплазменных покрытий и титана, используемых при изготовлении изделий различного назначения, путем физико-технической обработки ускоренными ионами азота.

Методы и средства исследований. Экспериментальные исследования по обработке ускоренными ионами азота выполнены на промышленной установке ионного легирования «Везувий-5». Исследования структуры и морфологии поверхностного слоя титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия до и после обработки ускоренными ионами в углеродсодержащей газовой смеси проводили растровым электронным микроскопом Jeol jsm-6490lv с энергодисперсионной рентгеновской приставкой и атомно-силовым микроскопом Интегра Аура. Измерения микротвердости и коррозионной стойкости проводили на приборе ПМТ-3 согласно ГОСТ 9450-76 и на потенциостате-гальваностате P-8S в 5% водном растворе NaCl. Исследования элементного состава поверхностного слоя титана, обработанного ускоренными ионами, проводили методом вторично- ионной масс-спектрометрии с помощью установки PHI-6300 PC-Service с квадрупольным анализатором «Balzers». Спектроскопические исследования обрабатываемых материалов проводили на спектрометре комбинационного рассеивания NT-MDT и инфракрасном спектрометре Nicolet-6700.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

1. Оценка эффективности использования обработки высокоэнергетическими ускоренными ионами по физико-механическим и химическим свойствам конструкционных материалов.

2. Разработка способа обработки ускоренными ионами азота в заданной углеродсодержащей смеси газов.

3. Исследование влияния технологических параметров обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей смеси газов на структуру, микротвердость, коррозионную стойкость химический и элементный состав титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия.

4. Разработка технологического процесса обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей смеси газов титана и электроплазменного покрытия.

5. Разработка практических рекомендаций по применению в промышленности и учебном процессе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

5. 1. Физико-техническая обработка ускоренными ионами азота позволяет увеличить физико-химические и механические характеристики поверхностного слоя материала.

   2. Режимы обработки ускоренными ионами азота позволяют обеспечить требуемую дозу и глубину внедрения ионов азота.

   3. Впервые установлено, что при обработке ускоренными ионами азота в атмосфере углеродсодержащих газов происходит увеличение физико-механических и структурных параметров, что приводит к улучшению эксплуатационных свойств материалов.

   4. Впервые исследовано влияние технологий ионно-лучевой обработки титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия в углеродсодержащей газовой среде.

   5. Впервые получены экспериментальные данные о влиянии режимов обработки ускоренными ионами азота в углеродсодержащей газовой смеси на структуру, микротвердость, коррозионную стойкость, химический и элементный состав титана и электроплазменного гидроксиапатитового покрытия.

   Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

   5. 5. 1. Найдены режимы обработки титана и материалов с электроплазменным гидроксиапатитовым покрытием при физико- технической обработке ускоренными ионами азота с энергией Е = 100^110 кэВ и дозой 1,210¹⁶ -^1,810¹⁶ ион/см² в углеродсодержащей смеси газов с давлением 10^-5^10^-6 мм.рт.ст., позволяющие получить улучшенные физико-механические характеристики поверхностного слоя материала.

         2. Установлено, что ионно-лучевое воздействие с энергией Е = 100^110 кэВ на титан и материал с электроплазменным гидроксиапатитовым покрытием при дозе ионов азота 1,210¹⁶ -^1,810¹⁶ ион/см² и давлении углеродсодержащей газов смеси 10^-5^10^-6 мм.рт.ст., приводит к образованию углеродных нановолокон и увеличению микротвердости.

         3. Полученные экспериментальные результаты и практические результаты по модернизации приемного ионно-лучевого устройства позволяют использовать его для получения титановых изделий с электроплазменными покрытиями с заданными физико-механическими характеристиками, в частности при изготовлении внутрикостных имплантатов с электроплазменным гидроксиапатитовым покрытием.

         Практическая ценность работы заключается в следующем:

         5. 5. 3. 1. Предложено новое техническое решение, представляющее устройство для ввода в приемное устройство установки ионной имплантации углеродсодержащей смеси газов, обеспечивающих получение на поверхности материалов углеродных наноструктур в виде волокон, влияющих на физико-механические свойства материалов.

                  2. Полученные в работе закономерности и результаты исследований использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технологии материалов» и «Биотехнические

                  3. Результаты исследований могут быть положены в основу разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов ионно-лучевой обработки для изготовления изделий различного назначения, позволяющих упрочнять материалы с электроплазменным покрытием и создавать наноразмерную структуру поверхностного слоя материала.

                  4. Способ изготовления внутрикостных титановых имплантатов с электроплазменными гидроксиапатитовыми покрытиями, модифицированных методом ионной имплантации с целью увеличения прочности и коррозионных свойств дентальных имплантатов «КИСВТ- СГТУ» внедрен в научно-производственную ассоциацию «Плазма- Поволжья» и «Сименс-С».

                  Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием аппарата основ физики твердого тела, методов ионно- лучевой обработки и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и проведенных экспериментальных исследований, воспроизводимостью результатов исследований и соответствием базовым закономерностям электротехнологических процессов.

                  Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях различного уровня: «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, ТГУ, 2012); «XXXVII Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2011); «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24» (Саратов, СГТУ, 2011); «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, ТГУ, 2011); «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, ОГУ, 2011); «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии» (Саратов, 2012); на научных семинарах кафедры «Физическое материаловедение и технологии новых материалов» (Саратов, СГТУ им. Гагарина Ю.А., 20102013) и кафедры «Физическая электроника и нанофизика» (Уфа, Башкирский государственный университет, 2012).

                  Публикации. Основные теоретические и практические результаты исследований опубликованы в 14 работах, из них 5 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на изобретение РФ.

                  Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Диссертация изложена на 120 стр., содержит 20 рисунков, 11 таблиц, список использованной литературы включает 113 наименований.

                  Похожие диссертации на Влияние режимов обработки ускоренными ионами азота на структуру электроплазменного покрытия и физико-механические свойства титана

                  

                  Модификация электроплазменных биокерамических покрытий лазерным ИК-излучением с улучшением их физико-механических свойствПапшев Вячеслав Андреевич

                  Обоснование и реализация комбинированной механической и физико-химической обработки титановых деталей в ультразвуковом поле с учетом электроплазменного напыления композиционных покрытийЛясникова, Александра Владимировна

                  

                  Влияние модифицирующего нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на физико-механические свойства полимерного волокнистого материалаСлепцова Салима Курмангалиевна

                  

                  Влияние СВЧ электромагнитного поля на физико-механические свойства эпоксидного компаундаЛаврентьев Владимир Александрович

                  

                  Управление физико-механическими свойствами износостойких защитных покрытий на основе карбида титанаСкаков Данель Мажынович

                  Синтез и физико-химические свойства стеклокомпозиционных покрытий на металлы электронной техники: титан и сплавы типа Fe-Ni и Fe-Ni-CoМакарова, Любовь Андреевна

                  Физико-химические и технологические основы управления структурой и свойствами износостойких покрытий из белых высоколегированных хромистых чугунов и псевдосплавов, сформированных индукционной наплавкой на углеродистые и низколегированные сталиИванайский Виктор Васильевич

                  

                  Электрофизические свойства плёночных фотопроводящих структур на основе CdS со свинцовосодержащим органическим монослойным покрытиемКлимова, Светлана Александровна

                  Особенности формирования структуры и физико-механические свойства никелида титана при пластическом течении под высоким давлениемГалкина, Елена Геннадьевна

                  Субмикрокристаллическая структура и физико-механические свойства технически чистого титанаМалышева, Светлана Петровна