Процессы нанесения металлических слоев широко применяются в приборо- и машиностроении. Слоистые системы «керамика-металл» и металлические пленки формируются для создания на поверхности керамических элементов тепло- и токопроводящих участков, а также получения вакуумплотных соединений керамика-металл.
НИР по разработке технологии металлизации керамических изделий ЭКБ проводился в рамках оказания услуг для ООО «ЭлкерС», трехстороннего договора №ИС2023/23 от 13.12.2023г. между АНО «Институт регионального развития» (Заказчик), ООО «ЭлкерС» (Функциональный заказчик) и СГТУ имени Гагарина Ю.А. (Исполнитель). В настоящее время отладка технологии и решение частных задач продолжается при сотрудничестве с АО «НПП «АЛМАЗ».
Процесс индукционно-термического вакуумного распыления металлов и формирования металлизации основан на известном явлении испарении металлов при нагреве до определенной температуры (рис. 1) и проводится с использованием индукционных высокочастотных установок, вакуумных камер оригинальной конструкции (рис. 2) при остаточном давлении газовой среды 55±25 Па и длительности распыления до 40 мин.
Слои, формируемые на керамических подложках, характеризуются низким содержанием кислорода (≤20 ат.%), толщиной до 26,0±3,1 мкм, гетерогенной морфологией поверхности, равномерной структурой (рис. 3) и высокими значениями адгезионно-когезионной прочности. Использование мишеней из разных металлов позволяет формировать слоистые (Ti-Mo, Nb-Mo и др.) системы на керамике (рис. 4).


Рис. 1. Влияние температуры нагрева мишени на давление (p^s, Па) образуемого металлического пара [Olson, D.L. Welding, Brazing, and Soldering: ASM handbook / D.L. Olson, T.A. Siewert, S. Lie, G.R. Edwards. – ASM International. – 1993. – V. 6.]	Рис. 2. Камера для ИТВР, где: 1 – Mo-мишень; 2 – Mo-держатель; 3 – керамические образцы на титановых держателях; 4 – индуктор; 5 – кварцевая камера; 6 – прокладка; 7 – стальное основание (публикация)

Рис. 3. Морфология поверхности (а, б) и структура молибденовых слоев, сформированных на Al₂O₃ ИТВР при рабочем токе 1300 А и длительности 1200 с	Рис. 4. Структура металлизации систем «Ti-Mo-Ni» (а) и «Mo-Ni» (б), сформированных ИТВР на Al₂O₃

Формирование биосовместимых металлических и металл-оксидных покрытий на изделиях восстановительной медицины

Рынок изделий для восстановительной медицины постоянно развивается за счет применения последних достижений в области материаловедения, аддитивных технологий, инженерии поверхности. Коллективом проводились исследования и разработаны технические решения, позволяющие формировать на стальных и титановых имплантатах титан-оксидные, тантал- и ниобий-содержащие нано- и микроструктурированные биосовместимые покрытия, характеризуемые высокими значениями твердости и износостойкости. Имеются опытные разработки и технологические решения, позволяющие повышать качество и срок службы ортопедических имплантируемых конструкций.

Получение на металлических изделиях биосовместимых металло-оксидных слоев

Технология заключается в высокотемпературной обработке (рис. 5) титана и нержавеющей стали, в том числе с предварительно нанесенными покрытиями. В результате на металлических имплантируемых конструкциях формируются биосовместимые слои (рис. 6 и 7).


Рис. 5. Процесс ТВЧ нагрева и оксидирования титановых изделий 1 в керамической камере 2 с использованием индуктора 4 помещенного в защитных кожух 3 (публикация)

Рис. 6. Закрепление клеток костной ткани на покрытиях «TiO₂» (a,b) и «TiO₂–Hap» (c,d) (публикация)	Рис. 7. Клетки костной ткани на поверхности нержавеющей стали: a, c – участок поверхности (без покрытия) с клетками (вертикальные линии); b, d – клетки на поверхности металлоксидного покрытия, полученные индукционно-термической обработкой (элементы цитоскелета отмечены горизонтальными стрелками) (публикация)

Формирование танталсодержащих слоев заданной структуры электроискровым легированием и/или электроискровым легированием и последующей термической обработкой

Высокая стоимость тантала ограничивает его при менение при производстве цельных изделий, поэтому интенсивно ведутся исследовательские работы, по священные формированию танталсодержащих (металлических, карбидных, нитридных и оксидных) биосовместимых и/или износостойких покрытий. Металлические слои формируют на титановых элементах эндопротезов (сплавы Ti6Al4V или ВТ6) различными методами. Коллективом предлагается применять технологии автоматизированного электроискрового легирования (рис. 8) и высокотемпературной обработки для формирования биосовместимых танталсодержащих слоев на титановых имплантируемых конструкциях.

Автоматизация процесса позволяет формировать локальные участки покрытий толщиной до 35 мкм с заданными параметрами макро- и микроструктуры (рис. 9 и 10), что особенно важно для медицинских изделий.


Рис. 8. Схема процесса электроискрового нанесения (а), окно программы управления (ЧПУ) процессом передвижения рабочего электрода в трехкоординатном (3D) пространстве (б) и компоновка рабочей области (в): 1 — танталовый электрод; 2 — титановый образец; 3 — элемент крепления (винт) образца; 4 — массивная металлическая плита для размещения образца	Рис. 9. Макроструктура танталового покрытия, сформированного электроискровым легированием, при использовании автоматизированной системы позиционирования

Рис. 10. Характерная морфология поверхности электроискровых танталосодержащих покрытий: a, г, ж — исходное покрытие без ИТО; б, д, з — T = 780...820 °C и t = 30 с; в, е, и — T = 950...970 °C и t = 30 с (фрагменты a, б, в — при увеличении 500× ; фрагменты г, д, е — при увеличении 10000× ; фрагменты ж, з, и — при увеличении 100000×) (публикация)

Получение тантал/ниобий содержащих слоев индукционно-вакуумным напылением

Предлагается использовать индукционно-термическое распыление для формирования биосовместимых металлических слоев на титановых изделиях. Разработанные технологические принципы, позволяют формировать высокотвердые тантал/ниобий содержащие слои с заданными параметрами микроструктуры (рис. 12).
Выполненные комплексные исследования, в том числе in vivo позволили сделать вывод, о том что индукционно-вакуумное распыление позволяет формировать на титановых внутрикостных имплантатах танталсодержащие покрытия, характеризуемые высокой твердостью, наличием наноразмерных структурных элементов и улучшенной биосовместимостью в сравнении с титаном (патент).

Рис. 11. Образцы титана (1) с центральным отверстием для крепления титановым винтом (2) к титановому держателю (3): а, б – танталсодержащее покрытие, полученное при длительной обработке (наблюдаются следы температурного коробления титанового образца); в – тонкослойное танталсодержащее покрытие (публикация)

Рис. 12. Морфология танталсодержащего покрытия, сформированного на титановой основе при разных режимах

Авторы разработки

Фомин Александр Александрович, д.т.н., доцент, заведующий кафедрой МБИ СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Кошуро Владимир Александрович, к.т.н., доцент кафедры МБИ СГТУ имени Гагарина Ю.А.