Способ вакуумно-дугового нанесения наноструктурированных покрытий на стоматологические конструкции - RU2791571C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области нанесения покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда и может быть использовано для получения наноструктурированных покрытий с повышенными свойствами.

Известен способ получения наноструктурированных покрытий, упрочняющих поверхность изделий, с использованием методов газотермического напыления, в частности высокоскоростного газопламенного напыления. Способ включает формирование в камере сгорания высокоскоростного распылителя высокотемпературного газового потока путем сжигания топлива в окислителе, подачу в камеру сгорания высокоскоростного распылителя жидкого исходного материала, являющегося источником образования наночастиц, образование, разогрев и перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на подложке. При этом жидкий исходный материал одновременно используют в качестве топлива для формирования высокотемпературного газового потока. Исходный материал представляет собой истинный или коллоидный раствор органических и/или неорганических соединений в органическом растворителе или смеси нескольких растворителей. Изобретение позволяет простым и экономичным способом, используя стандартное оборудование для высокоскоростного напыления, получить высококачественные наноструктурированные покрытия (патент РФ №2394937, МПК С23С 4/10, В82В 3/00 20.07.2010, Бюл. №20).

Недостатком данного способа является нестойкость напыленных покрытий к ударным механическим нагрузкам.

Известен способ получения наноструктурированных покрытий никель-алюминий с эффектом памяти формы на сталь включает нанесение покрытия при помощи плазменной наплавки порошка NiAl с эффектом памяти формы, закалку при температуре 1000-1200°С с последующим охлаждением в жидком азоте. Последующее проведение пластической деформации покрытия в три этапа. На первом этапе - в интервале температур 300-350°С со степенью пластической деформации ε=4,5-10%. На втором этапе - в интервале температур 350-400°С со степенью пластической деформации ε=10-15%. На третьем этапе в интервале температур 400-480°С со степенью пластической деформации ε=15-40%. При этом после каждого этапа пластической деформации проводят отжиг при температуре 500-600°С в течение 1-1,5 ч. Получается наноструктурированное покрытие NiAl с эффектом памяти формы (патент РФ №2398027, МПК C21D 1/78, В32В 3/00, B23K 9/04 27.08.2010, Бюл. №24).

Недостатком данного способа является сложность и длительность получения покрытия, за счет применения процедуры последующей пластической деформации и охлаждения в жидком азоте, приводящие к удорожанию и усложнению реализации способа. Известен способ получения наноструктурированных пленочных покрытий, когда на подложку осуществляют плазменное нанесение в вакууме наноструктурированного пленочного покрытия при температуре, меньшей 0,3 Т_пл материала подложки. Нанесение слоя покрытия проводят при включении одного или нескольких генераторов плазмы до толщины L, соответствующей Lδ²/κ⋅(F_D)_эф, 1/нм², где δ - толщина перемешанного слоя подложки и наносимого покрытия, равная 1 нм, (F_D)_эф=(F_Dc+F_Ds)/2; F_Dc - энергия, выделенная при упругих столкновениях атомов в слое, F_Ds - энергия, выделенная при упругих столкновениях атомов в подложке, κ=0,6⋅10^-4 нм⁵эВ^-1 и последующее плазменное нанесение слоев до получения покрытия требуемой толщины. При нанесении многослойного покрытия указанные операции проводят в одном вакуумном объеме, а подложку многократно перемещают от генераторов плазмы к имплантеру. Плазменное нанесение слоя покрытия могут проводить при включении одного или нескольких генераторов плазмы слоя покрытия с одновременным и непрерывным облучением пучком высокоэнергетических ионов имплантера. Наносят наноструктурированные покрытия с высокой адгезией за одну загрузку рабочей камеры, что повышает производительность процесса (патент РФ №2371513 МПК С23С 14/24, С23С 14/48, В82В 3/00, 27.10.2009, Бюл. №30).

Недостатком способа является сложность реализации способа за счет применения дополнительного дорогостоящего оборудования.

Известен способ получения наноструктурированных покрытий из карбидов тугоплавких металлов на подложку магнетронным распылением. Способ включает механическую очистку и обезжиривание поверхности, нанесение покрытия распылением мозаичной мишени в магнетронной распылительной системе. В среде инертного газа до начала магнетронного распыления проводят 5-10 циклов импульсной фотонной обработки (ИФО) поверхности в ультрафиолетовом спектре. Затем одновременно с ИФО проводят магнетронное распыление, причем мощность поступающего излучения выбирают с возможностью обеспечения образования точечных дефектов в приповерхностном слое подложки, но недостаточную для его нагрева выше 10% от температуры плавления конденсируемого материала, длительность импульсов ИФО составляет не более 2 секунд, а промежутки между импульсами не менее 0,5 с. Техническим результатом изобретения является получение покрытий, обладающих повышенной твердостью, износостойкостью при контактных нагрузках, высокими значениями ресурса работы при различных видах трения, химической инертностью в широком интервале температур (патент РФ №2694297 МПК, С23С 14/35, С23С 14/02, 11.07.2019, Бюл. №20).

Недостатком способа является формирование на поверхности точечных дефектов импульсной фотонной обработкой поверхности в ультрафиолетовом спектре, а также сложность испарения магнетронным методом тугоплавких материалов.

Известен способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с углеродным нанопокрытием, включающий обработку поверхности имплантата, послойное напыление на основу имплантата многослойного покрытия и напыление на это покрытие углеродного нанопокрытия толщиной до 1 мкм, отличающийся тем, что обработку поверхности ведут ускоренными до 1 кэВ ионами аргона при давлении (2-6)⋅10^-2 Па с подачей отрицательного напряжения-смещения на подложку с постепенным увеличением его от 800 до 1500 В в течение не менее 1 ч, многослойное покрытие выполняют из двух чередующихся слоев, с общим количеством слоев 20-30, при толщине каждого слоя 50-100 нм, при этом первый слой многослойного покрытия, состоящий из соединений титана с углеродом напыляют одновременным дуговым распылением титанового катода и импульсно-дуговым распылением графитового катода с увеличением концентрации углерода в каждом последующем слое при суммарном увеличении концентрации в этих слоях от 14 до 75 вес.%, а второй - из твердого аморфного алмазоподобного углерода твердостью 70-100 ГПа напыляют импульснодуговым распылением графитового катода, углеродное нанопокрытие напыляют импульсно-дуговым распылением графитового катода в условиях конденсации алмазоподобной пленки при температуре не выше 150°С и энергии ионов углерода не более 100 эВ. (патент РФ №2571559, МПК A61L 27/06, A61L 27/08, А61С 8/00, B82Y 5/00 20.12.2015, Бюл. №35). Данный способ взят за прототип.

Недостатками прототипа является сложность реализации способа, при обработке поверхности ускоренными до 1 кэВ ионами аргона, температура поверхности может достигать значений при которых возможен перегрев детали, при распылении графитового катода наблюдается загрязнение вакуумной камеры, приводящее к снижению качества получаемого покрытия, кроме того, загрязнение вакуумной камеры требует частой очистки, увеличивая подготовительно-заключительное время.

Задача изобретения заключается в повышении качества обрабатываемой поверхности. Технический результат заключается в получении наноструктурированного поверхностного слоя, способствующего улучшению эксплуатационных и физико-механических свойств: повышении микротвердости на 12 - 15%, коррозионной стойкости формируемого покрытия на 30 - 45% по сравнению с однослойным покрытием, вследствие использования дополнительной ионной бомбардировки и особенностей процесса нанесения покрытий, для формирования наноструктурированного слоя, уменьшения капельной фазы и увеличения плотности плазменного потока вблизи поверхности обрабатываемой детали.

Для проведения испытаний был использован прибор ПМТ-3. Измерения микротвердости проводились путем последовательного вдавливания стандартной 136° алмазной пирамидки (ГОСТ 9450-76) с квадратным основанием, нагрузками 0,2, 0,5, 1,0 и 0,20 Н. После приложения нагрузки к пирамидке производили выдержку в течение 5-10 секунд. Диагонали полученных отпечатков измерялись с помощью 30-кратного эпиобъектива ОЭ-6 с апертурой А=0,65 и 15-кратного окуляра-микрометра АМ9-3, обеспечивающего общее увеличение в 485 раз. Значение микротвердости идентифицировалось по таблицам, определив длину измеренных диагоналей отпечатков и величину прикладываемой нагрузки.

Глубины проникновения индентора можно рассчитать, как отношение половины диагонали отпечатка к половине тангенса 136°.

Для оценки истинного значения измеряемой величины использовалось среднее арифметическое значение. Для выявления грубых ошибок воспользовались критерием Смирнова, позволяющего производить отбраковку аномальных данных.

Стойкость образцов с покрытием и без него оценивалась весовым методом после выдержки в коррозионной среде. По изменению массы образца в результате действия коррозионной среды определялась скорость коррозии по пяти образцам и находилось среднее значение. Исследование показало, что скорость коррозии образцов с однослойным покрытием на 30 - 45% больше, чем у образцов с наноструктурированным покрытием, полученным с использованием разряда на основе эффекта полого катода, а следовательно коррозионная стойкость у образцов с покрытием системы (Zr,Nb)N выше.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что способ осаждения наноструктурированного покрытия на стоматологические конструкции, что процесс синтеза нанослоев многослойного покрытия (Zr,Nb)N осуществляется при проведении дополнительной ионной бомбардировке разрядом на основе эффекта полого катода, генерируемым системой, находящейся под отрицательным потенциалом, состоящей из обрабатываемой детали-стоматологической конструкции и оптически прозрачного экрана и установленного на определенном расстоянии от нее.

Существо изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 изображена схема реализации способа вакуумно-дугового нанесения наноструктурированных покрытий на стоматологические конструкции. Пример конкретной реализации способа: в вакуумной камере 1 устанавливают в приспособление 6 обрабатываемые детали-стоматологической конструкции 7. На определенном расстоянии (h=7-10 мм) от поверхности детали-стоматологической конструкции устанавливают оптически прозрачный экран 8 из титанового сплава ВТ-1.00. Экран 8 и обрабатываемая деталь 7 устанавливаются на приспособление 6 находятся под отрицательным потенциалом. На первом этапе процесса нанесения покрытий проводят предварительную очистку поверхности, которая осуществляется при использовании дополнительной ионной бомбардировки разрядом на основе эффекта полого катода в среде инертного газа аргона (Давление в вакуумной камере Р=13,3 Па). Обработка осуществляется в тлеющем разряде, который зажигается между анодом 4 и катодом 3. Время обработки составляет 10-15 минут. Затем в вакуумной камере 1 создают рабочее давление Р=10^-1-10^-2 Па. Ток дуги электродугового ускорителя 2 составляет I=120-200 А. Осуществляется процесс предварительного нагрева обрабатываемой детали и очистка поверхности ионами материала катода. Время воздействия 0,5-1 мин. Затем осуществляется следующий этап процесс осаждения покрытий. Осаждение нанослоев многослойного покрытия (Zr,Nb)N осуществляется при проведении дополнительной ионной бомбардировке разрядом на основе эффекта полого катода, состоящей из обрабатываемой детали - стоматологической конструкции 7 и оптически прозрачного экрана 8, установленного на расстоянии h=7-10 мм от нее. В качестве катодов 3 использовались материалы Zr и Nb. В качестве реакционного газа используется газ азот. Далее происходит процесс осаждения многослойного наноструктурированного покрытия (Zr,Nb)N в течение 60 мин. Обрабатываемая деталь осуществляет планетарное вращение вокруг оси стола 5 и вокруг собственной оси. Процесс позволяет формировать слои толщиной до 100 нм. Количество слоев и их толщина задаются режимами синтеза. Процесс осаждения завершается выдержкой в вакууме в течение 1 часа. Итак, заявляемое изобретение позволяет формировать наноструктурированное покрытие системы (Zr,Nb)N на стоматологических конструкциях с повышенными эксплуатационными и физико-механическими свойствами.

Реферат

Изобретение относится к области нанесения покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда и может быть использовано для получения наноструктурированных покрытий на стоматологические конструкции. Для нанесения многослойного покрытия (Zr,Nb)N в качестве материалов катодов используют Zr и Nb. Обрабатываемые стоматологические конструкции устанавливают в вакуумной камере с возможностью их вращения вокруг собственной оси и планетарного вращения вокруг оси стола. На расстоянии h=7-10 мм от стоматологических конструкций устанавливают оптически прозрачные экраны. На указанные конструкции и экраны подают отрицательный потенциал для обеспечения дополнительной ионной бомбардировки разрядом на основе эффекта полого катода при проведении предварительной очистки поверхности в среде аргона и при нанесении покрытий в среде реакционного газа – азота. Улучшается адгезия покрытия, снижаются остаточные напряжения, уменьшается образование капельной фазы. 1 ил.

Формула