Российские ученые получили двухслойное покрытие, состоящее из тантала и его оксида. Твердость нового материала неоднородна: сверхтвердые включения окружаются пластичной матрицей. При этом оксидный подслой повысил характеристики титанового образца более чем в 20 раз. Полученное покрытие может использоваться для изготовления металлических имплантатов, устанавливающихся в кость и обладающих повышенной прочностью и износостойкостью.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.

Титан и его сплавы активно применяются для изготовления металлических имплантатов, устанавливающихся в костную ткань. Этот материал обладает высокой прочностью, коррозионной стойкостью и биосовместимостью. Однако в процессе использования титановые конструкции испытывают циклические нагрузки, например при ходьбе, которые постепенно разрушают его поверхность. Это явление можно предотвратить, если покрыть титан защитным материалом с повышенной устойчивостью к всевозможным агрессивным факторам.

Ученые из Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина (Саратов) нанесли на титановые образцы покрытие, состоящее из тантала и его оксида. Для этого они распылили вещество в магнитных полях, направленных перпендикулярно друг другу. Процесс проводили с помощью низкотемпературной плазмы, температура которой меньше 100 000 К, в вакуумной камере. Так удалось получить три типа покрытия: только с оксидом, только с танталом и слоистую структуру тантала с оксидом.

Внешний вид камеры и образцы титана после формирования покрытия. Источник: Александр Фомин

Пленка оксида тантала толщиной 50*10^-9 м, что в 100–150 раз меньше размера клеток костной ткани, не изменила строение поверхности исходного образца титана. Чистый тантал при распылении оседал на микровыступах, а при нанесении слоями (тантал и оксидный подслой) собирался в агломераты — скопления из отдельных зерен. С ростом толщины танталовой пленки мелкие агломераты собирались в более крупные, и на поверхности образовывались пластинчатые структуры. Кроме того, на образцах были видны поры и микронеровности. Такой состав покрытий обусловил неоднородную твердость: авторы выделили сверхтвердые включения и окружающую их более мягкую и пластичную матрицу. Ученые оценивали твердость этих составляющих по отдельности, используя тестер механических свойств — наноиндентор.

Так, образцы, покрытые оксидом тантала, были тверже титана без покрытия примерно в 20 раз. Чистый тантал, напротив, практически не изменил свойства титановых образцов. Однако самым эффективным оказалось композитное покрытие, то есть нанесенное слоями. У таких образцов твердость матрицы была почти втрое выше, а твердость включений — в 25–30 раз выше, чем у титана. Предложенная слоистая структура потенциально может использоваться при изготовлении протезов и хирургических инструментов.

«Формирование танталсодержащих покрытий со сверхтвердыми включениями на титановых изделиях для восстановительной медицины позволит повысить их качество и эффективность применения в особо сложных условиях. Данный метод — один из вариантов вакуумного распыления и осаждения покрытий, которые разработала наша научная группа. В ближайших планах стоит комплексная задача по расширению номенклатуры распыляемых материалов, в частности ниобия, молибдена и других. Помимо медицинских изделий в качестве основы выступят сменные многогранные пластины для механической обработки и керамические подложки для мощных электронных компонентов СВЧ-микроэлектроники», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Фомин, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина.