Вплив зовнішніх дій на фізико-хімічні властивості поверхні сплавів Co-Cr-Mo - Автореферат

Останнім часом багато уваги приділяється вивченню фізико-хімічного стану поверхні металевих сплавів медичного призначення, зокрема, стоматологічних і ортопедичних з метою прогнозування взаємодії поверхні з рідинами та тканинами людини. У звязку з цим в останні роки виникає велика зацікавленість у виготовленні протезів зі сплавів на основі Co-Cr-Mo, що володіють високою міцністю, корозійною стійкістю і технологічністю. Тож використовуючи знання про природу та механізми зміни властивостей поверхневого шару під дією зовнішніх впливів, можна визначити такі методи обробки поверхні Co-Cr-Mo сплавів, які будуть поліпшувати якість протезів. Отже, враховуючи, що вивчення закономірностей формування та змін властивостей поверхневого шару на атомно-молекулярному рівні є провідним завданням фізики та хімії поверхні медичних матеріалів, дослідження зміни фізико-хімічних властивостей поверхні Co-Cr-Mo сплавів в результаті різноманітних зовнішніх дій є актуальним завданням як з наукової, так і з практичної точок зору. З результатів, що характеризуються науковою новизною, слід виділити наступні: - аналіз елементарних збуджень в спектрах низькоенергетичної вторинно-електронної емісії дозволив встановити, що основними типами характеристичних втрат, що спостерігаються від поверхні Co, Cr, Mo та сплаву Co-Cr-Mo є поверхневі та обємні плазмони і їх гібридні моди, міжзонні переходи та іонізаційні втрати;Для аналізу змін фізико-хімічного стану поверхні після зазначених обробок використовувався комплекс методів поверхневих досліджень, зокрема, спектроскопічні, мікроскопічні та топографічні методи. В роботі проведено аналіз корозійних властивостей поверхні Co-Cr-Mo сплавів після всіх проведених обробок шляхом виміру поверхневих потенціалів відносно хлорсрібного електроду порівняння в середовищі подібному до слини людини. Глибина зондування поверхні первинними електронами з енергією Е 0 = 350 ЕВ відповідала 0,67 нм. Розраховано критичну густину потужності світлового потоку достатню для початку плавлення (qkp 1) та для початку випаровування (qkp 0) Co-Cr-Mo сплаву: qkp 1 = 2,16?104 Вт/см 2, а qkp 0 = 1,5?104 Вт/см 2. особливості термоіндукованого формування структури поверхні Co-Cr-Mo сплаву при імпульсному лазерному опроміненні вивчалися за допомогою растрової електронної мікроскопії. При цьому, у випадку сканування поверхні з найменшим значенням q, коли ще спостерігається періодична хвильова структура, довжина цієї зони майже в чотири рази більша, ніж на поверхні "ванни".При ізотермічній витримці в вакуумі в інтервалі температур 773-1063 К, в поверхневих шарах відбуваються концентраційні зміни (поверхнева сегрегація), зокрема, зменшується концентрація атомів Мо і збільшується концентрація атомів Cr та Co. Поверхневі сегрегації мають дифузійний характер; аналіз їх кінетичних залежностей дозволив визначити обємні коефіцієнти дифузії атомів Со та енергію активації в сплаві Co-Cr-Mo; Лазерне опромінення Co-Cr-Mo сплавів на повітрі з випаровуванням матеріалу призводить до формування поверхневого шару з переважним вмістом оксиду Cr2O3 та специфічним рельєфом, що складається із зон впорядкованої пористої структури (розмір пір 100-200 нм) та сфероїдальних кристалів розміром ~1 мкм з різної кількістю граней. Після лазерного опромінення Co-Cr-Mo сплаву в середовищі аргону на поверхні утворюється періодичний кільцевий рельєф. Обробка поверхні сплаву прискореними мікрочастками оксиду алюмінію, що широко застосовується в стоматологічній практиці, формує поверхневий шар з шорсткістю ~ 2,5 мкм, збагачений оксидами Al2O3, Cr2O3 та SIO2, без імплантації часток Al2O3.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації з використанням комплексу структурних та спектроскопічних методів встановлені основні закономірності еволюції фізико-хімічного стану та властивостей поверхневих шарів медичних Со-Cr-Mo сплавів в залежності від параметрів термічної або інтенсивної механічної обробці.

Основні результати роботи можуть бути сформульовані наступним чином: 1. При ізотермічній витримці в вакуумі в інтервалі температур 773-1063 К, в поверхневих шарах відбуваються концентраційні зміни (поверхнева сегрегація), зокрема, зменшується концентрація атомів Мо і збільшується концентрація атомів Cr та Co. Поверхневі сегрегації мають дифузійний характер; аналіз їх кінетичних залежностей дозволив визначити обємні коефіцієнти дифузії атомів Со та енергію активації в сплаві Co-Cr-Mo;

2. Лазерне опромінення Co-Cr-Mo сплавів на повітрі з випаровуванням матеріалу призводить до формування поверхневого шару з переважним вмістом оксиду Cr2O3 та специфічним рельєфом, що складається із зон впорядкованої пористої структури (розмір пір 100-200 нм) та сфероїдальних кристалів розміром ~1 мкм з різної кількістю граней. При цьому формуються також одиничні кристали з пятьма гранями, що може вказувати на формування екзотичних наноструктурних обєктів з віссю симетрії 5-го порядку;

3. Після лазерного опромінення Co-Cr-Mo сплаву в середовищі аргону на поверхні утворюється періодичний кільцевий рельєф. При цьому період хвиль даного виду рельєфу залежить від густини потужності лазерного опромінення. Така структура має хімічний склад близький до евтектичного. В основі механізму утворення періодичного поверхневого рельєфу лежать процеси, повязані з застиганням на поверхні капілярних хвиль розплавленого металу;

4. Обробка поверхні сплаву прискореними мікрочастками оксиду алюмінію, що широко застосовується в стоматологічній практиці, формує поверхневий шар з шорсткістю ~ 2,5 мкм, збагачений оксидами Al2O3, Cr2O3 та SIO2, без імплантації часток Al2O3. Встановлено режими даної обробки Co-Cr-Mo сплаву, при яких відбувається наноструктурування приповерхневого шару товщиною до 5 мкм. Розмір зерен монотонно зростає від 30 нм до 90 нм за глибиною;

5. При інтенсивному пластичному деформуванні ультразвуковою ударною обробкою в приповерхневому шарі Co-Cr-Mo сплаву відбувається деформаційно стимульований ?>? перехід з утворенням до 67 % ГЩУ-фази. Така обробка стимулює утворення хаотичних дефектів пакування типу вилучення, що перешкоджають утворенню суцільної нанокристалічної структури в приповерхневому шарі Co-Cr-Mo сплаву, проте відбувається утворення нанорозмірних зерен мартенситної фази. Сукупність структурних перетворень при деформації УЗУО обумовлює зміцнення поверхні, зокрема підвищення мікротвердості;

6. За результатами рентгеноструктурних та мікроскопічних досліджень поверхні Co-Cr-Mo сплавів після інтенсивних механічних обробок, запропоновано структурний механізм поверхневого наноструктурування в металах з низькою енергією дефектів пакування, який відбувається в три стадії. На першому етапі формується планарна структура дислокацій та двійників. На другому етапі відбувається розділ зерен внаслідок двійникування та мартенситного перетворення. Третя стадія відповідає саме формуванню нанозерен. Формування наноструктури обумовлене трьома важливими факторами: 1) високим ступенем деформації; 2) високою швидкістю деформації (за оцінками близько 103-104 с-1); 3) різноспрямованим ударним навантаженням, що повторюється;

7. Встановлено підвищення корозійної стійкості сплавів після лазерної та інтенсивної механічної обробок, обумовлене зміною морфології та фізико-хімічного стану поверхні.

1. Васильев М.А. Нанокристаллизация металлических поверхностей методами интенсивной пластической деформации (обзор) / М.А. Васильев, Г.И. Прокопенко, В.С. Филатова // Успехи физики металлов. - 2004. - Т. 5, № 2. - С. 345-399.

2. Васильєв М.О. Зміна фізико-хімічного стану поверхні стоматологічних сплавів після лазерної обробки / М.О. Васильєв, П.А. Гурин, В.С. Філатова // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. - 2005. - № 17. - С. 87-90.

3. Послойная эволюция микроструктуры в сплаве Cu-Zn после пескоструйной обработки / Ю.Н. Петров, М.А. Васильев, Л.Н. Трохимова, В.С. Филатова // Успехи физики металлов. - 2006. - Т. 7, № 3. - С. 173-187.

4. Зміна фізико-хемічного стану поверхні стоматологічного стопу Co-Cr-Mo після піскоструминної обробки / М.О. Васильєв, А.Й. Сенкевич, В.С. Філатова, П.А. Гурин // Металлофизика и новейшие технологии. - 2006. - Т. 28, Специальный выпуск. - С. 75-81.

5. Васильев М.А. Физико-химические свойства поверхности недрагоценных сплавов, применяемых в ортопедической стоматологии (обзор). Ч. I / М.А. Васильев, В.С. Филатова, П.А. Гурин // Журнал функциональных материалов. - 2007. - Т.1, №2. - С. 42-48.

6. Васильев М.А. Физико-химические свойства поверхности недрагоценных сплавов, применяемых в ортопедической стоматологии (обзор). Ч. II / М.А. Васильев, В.С. Филатова, П.А. Гурин // Журнал функциональных материалов. - 2007. - Т.1, №3. - С. 93-97.

7. Васильев М.А. Физико-химические свойства поверхности недрагоценных сплавов, применяемых в ортопедической стоматологии (обзор). Ч. III / М.А. Васильев, В.С. Филатова, П.А. Гурин // Журнал функциональных материалов. - 2007. - Т.1, №4. - С. 146-151.

8. Васильєв М.О. Макро- та мікрорельєф поверхні стоматологічного сплаву Co-Cr-Mo після піскоструминної обробки / М.О. Васильєв, В.С. Філатова, П.А. Гурин // Металлофизика и новейшие технологии. - 2007. - Т. 29, № 6. - С. 771-779.

9. Тиньков В.А. Анализ физико-химического состояния поверхности стоматологического сплава Co-Cr-Mo методами вторично-электронной спектроскопии / В.А. Тиньков, В.С. Филатова // Металлофизика и новейшие технологии. - 2007. - Т. 29, №. 7. - С. 867-885.

10. Васильев М.А. Кинетика термоиндуцированной поверхностной сегрегации в тройной системе Co-Cr-Mo / М.А. Васильев, В.А. Тиньков, В.С. Филатова // Металлофизика и новейшие технологии. - 2008. - Т. 30, № 2. - С. 267-273.

Список цитованої літератури: 1. Activation energy of sulphur diffusion in ferromagnetic ?-iron determined by surface segregation studies / W. Arabczyk, M. Militzer, H. -J. Mussig [et al.]// Scripta Metallurgica. - 1986. - Vol. 20, № 11. - P. 1549-1554.