Введение к работе
Актуальность темы диссертации: Сплавы на основе никелида в настоящее время широко применяются как материалы для медицины благодаря их способности восстанавливать значительную неупругую деформацию как в изотермических условиях после снятия приложенной нагрузки, так и при изменении температуры. При использовании этих сплавов в медицине обязательными являются требования повышения их коррозионной стойкости и биосовместимости, создания барьерных слоев и покрытий на их поверхности, препятствующих выходу в биосреду токсичных ионов металлов. До настоящего времени для сплавов на основе никелида титана не созданы покрытия с высокими адгезионными свойствами. Перспективными для этих целей представляются методы ионно-плазменных обработок поверхности металлических материалов.
Таким образом, актуальным является вопрос, связанный с выбором и обоснованием ионно-плазменных способов создания защитных слоев на поверхности нике- лида титана, а также с изучением закономерностей изменения микроструктуры в композиционных областях материала после таких обработок. Перспективным для решения поставленной задачи является выбор кремния как химического элемента легирования или основы покрытия на поверхности никелида титана, известного своей высокой биосовместимостью.
Цель работы: изучить влияние ионно-плазменных воздействий ионами кремния на микроструктуру и физико-механические свойства поверхностных слоев ни- келида титана.
Для достижения цели работы были сформулированы следующие задачи:
-
Исследовать химический (элементный) и фазовый составы, структуру и изучить закономерности формирования тонких (~100 нм) покрытий из кремния на поверхности образцов никелида титана и переходных между ними слоев в зависимости от режимов и параметров ионно-плазменного магнетронного осаждения.
-
Изучить закономерности изменения микроструктуры в образцах никелида титана под ионно-модифицированными слоями и покрытиями, полученными путем ионно-плазменного магнетронного осаждения, а также после модификации покрытий ионными пучками, источником ионных пучков и потоков плазмы для которых является мишень из кремния.
-
Изучить физико-механические свойства покрытий и прилежащих к ним поверхностных слоев на образцах из никелида титана, оценить адгезионные свойства, твердость и пластичность покрытий и прилежащих к ним поверхностных слоев никелида титана.
-
Изучить коррозионные свойства и оценить биосовместимость композиционных материалов на основе никелида титана с легированными кремнием поверхностными слоями.
Научная новизна. Разработан методический подход для изучения изменений микроструктуры сплавов на основе никелида титана после ионно-плазменных воздействий, основанный на методе дифракции обратнорассеянных электронов, позволивший выявить фрагментацию зеренной структуры в приповерхностной области образца, получить количественные данные о разориентации фрагментов, их размерах и структурно-фазовых состояниях, а также оценить глубину этих воздействий.
Практическая значимость. Результаты исследований закономерностей формирования легированных слоев и покрытий из кремния на поверхности нике- лида титана служат экспериментальной основой для формирования новых представлений о физических свойствах многослойных систем на поверхности материалов с памятью формы.
Методика исследования закономерностей изменения микроструктуры материалов под тонкими покрытиями и модифицированными поверхностными слоями, основанная на одновременном сопоставлении широкого ряда синхронных карт анализа картин дифракции обратнорассеянных электронов может быть использована не только для решения исследовательских задач, но и для подготовки высококвалифицированных специалистов в области растровой электронной микроскопии.
Показана перспективность и обоснована возможность использования композиционных материалов на основе никелида титана с покрытиями и легированными поверхностными слоями, содержащими кремний, как материалов для медицины.
Связь с государственными программами и проектами
Комплексные исследования, основные результаты которых представлены в диссертационной работе, проводились в рамках проектов Программ фундаментальных исследований СО РАН - № 3.6.2.1. (2007-2009), № III.20.2.1. (2010-2012); комплексных интеграционных проектов СО РАН № 91 (2006-2008), № 2.3 (2006-2008), №57 (2009-2011); проекта в Программе фундаментальных исследований Президиума РАН № 12.7 (2006-2008), проекта РФФИ 06-02-08003 (2006-2007); проектов ФЦП - государственные контракты № 02.523.11.3007 (2007-2009) и № 16.740.11.0140 (2010-2012).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
Выявленные преимущества импульсного режима магнетронного метода создания тонких (~100 нм) покрытий из кремния на поверхности образцов никелида титана по сравнению с магнетронным режимом постоянного осаждения, которые заключаются в меньшей концентрации атомов примеси (кислорода) в покрытии и переходных слоях, меньшей толщине переходных слоев, в более высокой адгезионной прочности покрытий, воспроизводимости получаемых результатов.
-
Методический подход, основанный на использовании комплекта синхронных карт анализа картин дифракции обратнорассеянных электронов, для исследования изменений в микроструктуре сплавов на основе никелида титана, сопровождающихся внутризеренной фрагментацией и образованием различных возможных типов мартенситных структур. Этот подход позволяет получить количественные данные для анализа механизмов фрагментации зеренной структуры этих сплавов после ионно-плазменных поверхностных обработок.
-
Изменения микроструктуры под покрытиями и легированными слоями в образцах (TiNi)Sl+, Si/TiNi, (Si/TiNi)Sl+, которые обусловлены сдвиговой неустойчивостью основной фазы В2 и ионно-плазменными воздействиями, имеют слоевой характер, внутри отдельных слоев происходит частичная фрагментация таких поверхностных зерен В2 фазы, которые "благоприятно" ориентированы в полях упругих напряжений.
-
Формирование тонких (~100 нм) поверхностных слоев в образцах нике- лида титана методами магнетронного осаждения и имплантации ионов кремния, которые является перспективным для их использования в качестве защитных кор- розионностойких слоев, препятствующих выходу токсичных ионов никеля в биосреду и не приводящих к подавлению эффектов памяти формы и сверхэластичности в данных композиционных материалах.
Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается использованием современного оборудования и методов исследования, а также соответствием экспериментальных результатов и известными литературными данными, полученных в данной работе разными методами и согласованностью всех экспериментальных результатов, полученных структурными и физическими методами исследования.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: IV и V Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2006, 2008); II, III и IV Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО» (Новосибирск, 2007; Екатеринбург, 2009; Москва, 2011); III Всероссийской конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2007); IV Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур ПРОСТ 2008» (Москва, 2008); Открытой Школе-конференции стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2008" (Уфа, 2008); Международной Школе семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (Томск, 2008); IV и V Всероссийской конференции молодых ученых (Томск, 2008, 2009); Х Китайско-Российском Симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Китай, 2009); Международном симпозиуме E-MRS 2010 Spring Meeting (Франция, 2010); 49 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Киев, 2010); 10 Международной конференции «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010); Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2011); Европейском конгрессе «Advanced Materials and Processes. EUROMAT 2011» (Франция, 2011); Четвертой международной конференции «Деформация и разрушение материалов и на- номатериалов» (Москва, 2011); VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов" (Москва, 2011);
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 32 печатных работах, включающих 6 статей в рецензируемых журналах, 26 - в сборниках трудов и материалов российских и международных конференций.
Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задач диссертации, подготовке образцов для структурных исследований, проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов; всего 282 страниц, в том числе 93 рисунка, 10 таблиц и список цитируемой литературы из 254 наименований.
Похожие диссертации на Влияние ионно-плазменных воздействий ионами кремния на микроструктуру и физико-механические свойства поверхностных слоев никелида титана
-
