Антикоррозионная защита медицинских изделий с использованием технологий плазменного напыления

Вопросам структурообразования покрытий посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных работ [6]. Для ионно-плазменных методов, в частности ЭДИ и МР, свойственны неравновесные условия и высокая анизотропия скоростей формирования по различным направлениям. При описании покрытий со сложным составом и структурой приходится, в отсутствие общепризнанных теоретических моделей, экспериментально изучать процессы их структурообразования в зависимости от ТехП процесса их осаждения. Возникает проблема фундаментального подхода к изучению фазовых переходов в многофазных покрытиях в условиях использования неприменимых к ним некоторых макроскопических характеристик. Необходима разработка новых подходов к описанию процессов образования покрытий, исследованию возможных фаз, структурных и фазовых переходов, позволяющих описать процессы их структурообразования.

Информация о покрытиях многообразна, но неоднородна. Несмотря на многолетний опыт создания и применения ионно-плазменных технологий, снижение нестабильности эксплуатационных свойств ТИ и ПТ остается актуальной проблемой.

 

 

 

3.2 Специфические свойства наноструктурированных пленок, получаемых

ионно-плазменными методами

Наноструктурированные пленки – один из типичных низкоразмерных объектов, которые интенсивно изучаются в последнее время в связи с интересом к выявлению особенностей нанокристаллического состояния, характеризуемого обычно размерами менее 100 нм [7, 8]. Нанообъекты интересны, с одной стороны, как металлоподобные соединения, а с другой стороны, как типичные хрупкие фазы, не говоря уже о многочисленных приложениях материалов на основе фаз внедрения. В связи с этим данные о структуре и свойствах этих

соединений в нанокристаллическом состоянии представляются важными как для теоретического материаловедения, так и для приложений.

Специфические свойства наноструктурированных пленок во многом обусловлены особенностью их структуры: высокая объемная доля границ раздела и сильная энергия связи соседних фаз, отсутствие дислокаций внутри нанокристаллитов, осуществление деформации по типу зернограничного проскальзывания, присутствие межкристаллитных аморфных прослоек, изменение взаимной растворимости компонентов в фазах внедрения. Все эти особенности позволяют достичь рекордных значений физических, химических, механических и

трибологических свойств материала при переходе к наноструктурированному состоянию [9].

Экспериментально установлено [10], что осаждение поликластеров, образующихся вблизи поверхности осаждения при использовании ионно-плазменных методов, неизбежно приводит к существенной неоднородности поверхности. Как правило, на начальной стадии такого морфологического вырожденного образования углы разориентировки волокон невелики, так что пленка не теряет сплошности. Дальнейшее ухудшение условий формирования,

следовательно, продвижение на пути потери морфологической устойчивости, приводит к возрастанию разориентации волокон и, в последующем, к их пространственному (частичному или полному) разделению.

 

3.3 Однокомпонентные  покрытия медицинских инструментов

TiN – традиционное, широко применяемое соединение, имеющее высокий комплекс свойств. Высокая маслянистость поверхности  нитрида титана снижает температуру  инструмента в процессе металлообработки. Нитрид титана имеет широкую область гомогенности, которую можно реализовать при изменении технологических параметров в процессе нанесения покрытия. Это позволяет в значительных пределах изменять структуру и физико-механические свойства покрытий, такие как микротвердость, вязкость, остаточные напряжения, адгезия к подложке, когезия слоев. Эти свойства являются в значительной мере

нетрадиционными, методы их определения для покрытий разработаны сравнительно недавно. Нитрид титана наносится на углеродистую, нержавеющую и быстрорежущие стали, твердые сплавы и керамику. Область применения: режущий, формообразующий и штамповый инструмент, хирургический инструмент, пары трения.

Нитрид титана является первым в списке покрытий. Это было в течении долгого времени, по одной простой причине - это действительно работает. Будь то режущий инструмент, штамп или пресс-форма, пользователи знают, что они получат от 2 до 10 раз увеличения срока службы с помощью этого покрытия.

Кроме того, по сколько эти покрытия обладают высокими медикобиологическими свойствами, TiN используют в многочисленных медицинских (импланты, хирургические инструменты и т.д.) инструментах и в пищевой обработки.

Нитрид титана  является одним из наиболее изученных и часто используемых тонкопленочных покрытий во всем мире. С высокой твердостью -85 HRc  и толщиной всего 3 микрона, это покрытие идеально подходит для сверхбыстрой обработки изделий,  препятствует появлению царапин на поверхности инструмента, а также уменьшает коэффициент трения на поверхности инструмента. Покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью к окислению.

ZrN – износостойкое  покрытие с высокой твердостью, хорошей термостойкостью, сопротивляемостью  к термическим ударам и коррозии. Обладает более высоким сопротивлением к истиранию, чем TiN, не взаимодействует с расплавленными металлами (Се, Ве и др.) и разбавленными соляной, серной, азотной и другими кислотами. Биосовместимость покрытия и стойкость его к биологической среде человека определяет его использование в медицинских целях. Область применения – хирургический инструмент, биоимпланты, зубоврачебный инструмент, декоративные цели.

CrN – сравнительно  мягкое покрытие, сочетающее хорошие  трибологические свойства с относительной химической инертностью. Имеет лучшую коррозионную стойкость, чем TiN, особенно в водных растворах. CrN уменьшает налипание на инструмент мягких металлов таких, как Al, Cu, Ti сплавы. Высокая температуростойкость и сопротивление окислению делают данное покрытие подходящим для использования в средней и тяжелой металлообработке углеродистых и нержавеющих сталей, алюминиевых и медных сплавов. Регулировка технологического процесса при нанесении покрытия позволяет получать различные составы – от CrN, имеющего высокую износостойкость, до Cr2N, обладающего повышенной твердостью. Область применения: штамповой и формообразующий инструмент, хирургический инструмент.

 

3.4 Вакуумно-плазменное напыление. PVD покрытия.

Как следует из названия, технология PVD (Physical Vapor Deposition) – это физическое осаждение паров титана на поверхность изделия. Высокая точность толщины покрытия, исключительная твердость, средний диапазон температур (400-600 °С) означает, что эти покрытия могут быть применены к широкому спектру материалов, превосходя другие процессы в своей нише. Изделие, на которое наносятся PVD покрытия, сначала очищаются. Процесс очистки меняется в зависимости от уровня качества поверхности, материала подложки и геометрии. Изделия загружаются в вакуумную камеру на специальные приспособления, предназначенные для оптимизации нагрузки камеры и обеспечения равномерного покрытия. Вакуумная камера откачивается до 10-6 мм. рт.ст. (высокий вакуум), чтобы удалить все загрязняющие вещества в системе. В камеру напускают инертный газ азот и подают напряжение на подложку, в результате образуется тлеющий разряд (плазма). Это чистка изделия в тлеющем разряде для начальной стадии осаждения металла. Большой ток и низкое напряжение дуги подается на мишень (твердый материал, используемый для нанесения). Металл испаряется и мгновенно ионии сновные свойства металла испарения (мишени) остаются неизменными в течение всего цикла осаждения металла. От изменения объема газа,типа газа во время реактивного осаждения изменяется структура покрытия керамики, карбидов, нитридов и оксидов. Нитрид титана был первым в списке покрытий. Это было в течении долгого времени, по одной простой причине - это действительно работает. Будь то режущий инструмент, штамп или пресс-форма, пользователи знают, что они получат от 2 до 10 раз увеличения срока службы с помощью этого покрытия. Кроме того, по сколько эти покрытия обладают высокими медикобиологическими свойствами, TiN(нитрид титана) используют в многочисленных медицинских (импланты, хирургические инструменты и т.д.) инструментах и в пищевой обработки. Нитрид титана является одним из наиболее изученных и часто используемых тонкопленочных покрытий во всем мире. С высокой твердостью -85 HRc и толщиной всего 3 микрона, это покрытие идеально подходит для сверхбыстрой обработки изделий, препятствует появлению царапин на поверхности инструмента, а также уменьшает коэффициент трения на поверхности инструмента. Покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью к окислению. PVD покрытия - это высокая точность толщины покрытия, осуществляется на средних диапазонах температур (400-600 С), что дает возможность применять эти покрытия к широкому спектру материалов превосходя другие процессы в своей нише.  Для увеличения в 2-3 раза срок службы инструмента в сравнении с TiN используется карбо-нитрид титана. Добавление углерода в пленку TiN увеличивает твердость на 80 процентов, в результате этого увеличивается срок службы инструмента. TiCN(карбонитрид титана) является  отличным универсальным покрытием, но особенно хорошо в штамповке, литье под давлением и резки  инструментом. Применение – штамповка, формовка, литье под давлением, режущий  инструмент. Преимущество: 8-10 раз увеличивает  срок службы пробивочного инструмента, 2-7 раз режущего инструмента.

 

3.5 Покрытия сложного состава

TiAlN –разработанное  в начале 90-х годов покрытие  с высокой твердостью и температуростойкостью. Покрытие обладает повышенной эластичностью, что значительно снижает возможность его скалывания с поверхности инструмента. Высокая температуростойкость покрытия (до 800 оС) определяется образованием пленки окиси алюминия, имеющей низкую температуропроводность и значительную химическую стабильность. Нитридные покрытия, содержащие алюминий имеют высокую устойчивость к окислению [750° С для (Ti75Al25)I-xNх, 830° С для (Ti40Al60)I-xNх] и сохраняют высокую работоспособность при высоких скоростях резания труднообрабатывамых материалов. Покрытие хорошо подходит для резки титановых и никелевых сплавов, нержавеющей стали, закаленных материалов, литых сталей и пластиков. Температуростойкость покрытия определяет его использование при высокоскоростной и безэмульсионной обработке материалов.

Управление технологическим процессом формирования покрытия позволяет получать составы с изменяемыми свойствами в зависимости от процентного соотношения Ti и Al. При этом изменяются твердость, коэффициент трения, шероховатость поверхности и цвет покрытия. Все это позволяет оптимизировать свойства покрытия для выполнения конкретной задачи. Область применения: режущий, формообразующий, штамповой и хирургический инструмент.

 

4 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО  НАПЫЛЕНИЯ

 

Для получения плазмы используются различные генераторы низкотемпературной плазмы, которые должны отвечать следующим требованиям:

– температура плазмы на выходе должна быть достаточно высокой  (от 2500 до 20000 К);

– плазма должна быть достаточно чистой, т. е. свободна от загрязнения такими частицами, которые не входят в состав рабочего тела;

– высокая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую и возможность получения максимального КПД технологического процесса;

– параметры низкотемпературной плазмы должны быть стабильными, управляемыми и обеспечивать оптимальные условия процесса;

– генерация плазмы должна обеспечиваться в течение длительного промежутка времени;

– возможность использования различных плазмообразующих сред;

– простота эксплуатации, легкость возбуждения электрического разряда, причем желательно без ввода дополнительных устройств (поджигающих электродов, проволочек) в область разрядного канала;

– легкость ввода исходного материала в плазменный поток.

Для организации промышленных технологических плазменных процессов наиболее перспективными в настоящее время считаются электродуговые и высокочастотные генераторы низкотемпературной плазмы, поскольку именно они удовлетворяют перечисленным выше требованиям. Наиболее простой вариант нагревателя газа представляет собой дуговой электрический разряд, горящий между двумя торцовыми электродами, обдуваемый газом в осевом или перпендикулярном направлении. В этом случае за разрядом образуется плазменная струя с высокой температурой.

Особенность работы электродуговых плазменных установок состоит в высокой эффективности преобразования электрической энергии в тепловую; в невысокой стабильности горения электрической дуги; высокой эрозии электродов, что приводит к загрязненности плазменной струи.

Установка для плазменного напыления включает: распылитель (плазмотрон), источник питания, газораспределительную систему, механизм подачи материала, система охлаждения, пульт управления и различные элементы оснастки. На рисунке 5 представлена принципиальная схема универсальной плазменной установки УПУ-3Д.

 

 

----- ------ ------  -  электрический ток;  -----------о-------о---------- - вода;

---------------------  -  газ;                           ---------ж-------ж------- - порошок

1 - источник питания; 2 - баллоны с газом; 3 - пульт управления; 
4 - камера напыления; 5 - порошковый дозатор; 6 - вытяжной вентилятор;  
7 - плазмотрон; 8 - плазменная струя; 9 - напыляемое покрытие; 10 - изделие; 
11 - устройство для  перемещения изделия;  12 - водяной насос; 13 - холодильник

Рисунок 5 – Принципиальная схема плазменной установки УПУ-3Д

 

 

Плазменные покрытия наносят обычно на воздухе в специальном шкафу с вытяжной вентиляцией или в герметичной камере с контролируемой атмосферой, чаще всего с нейтральной. Для нанесения плазменных покрытий применяются такие установки, как УПУ-3Д, УМП-6, "Киев-7" и др. (таблица 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 1 – Технические характеристики плазменных электродуговых установок

Параметры	УПУ-3Д	УМП-6	"Киев7"
Потребляемая мощность, кВт	35	30	40
Максимальный ток дуги, А	400	–	250
Расход газов, м3/ч	0,9–6,0	3.0–5,0	3,2–3,8
Рабочее давление газов, МПа	0,3–0,4	0,4–0,5	0,12–0,18
Расход воды, м3/ч	0,48–0,60	–	0,66
Производительность распыления, кг/ч	До 2	До 7	До 5
Размеры, мм	1650х700х450	1640х1100х400	1600х600х600
Масса, кг	200	265	350