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 10 000 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

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 15 000. .30 000 К. Температура азотной плазмы ниже (10 000… 15 000 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 струйнообразивную 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.