Структура и свойства поверхностного слоя TiNi-сплава, подвергнутого ионно-плазменной и ультразвуковой обработке

Проведено исследование морфологии, элементного состава, микротвердости и коррозионных свойств поверхностного слоя сплава TiNi после комбинированной обработки, которая включала ионно-плазменное (вакуумно-дуговым методом) осаждение TiN-покрытия и ультразвуковую обработку (УЗО) с различным количеством проходов (n). С использованием сканирующей электронной микроскопии установлено, что ультразвуковая обработка способствует существенному снижению количества капельной фазы на поверхности TiN-покрытия, однако с увеличением числа проходов при УЗО наблюдается нарушение сплошности TiN-покрытия в локальных точках. Исследовано влияние комбинированной обработки образцов TiNi на микротвердость и выявлен синергетический эффект двух упрочняющих технологий, который заключается в увеличении микротвердости сплава TiNi (1,6 ГПа в режиме поставки): за счет осаждения TiN-покрытия – до 10,9 ГПа, за счет последующей УЗО – от 14,5 до 18,4 ГПа в зависимости от количества проходов. Установлено, что для схемы УЗО + TiN величина потенциала коррозии E_corr практически не зависит от числа проходов, составляет порядка –250 мВ и определяется величиной потенциала TiNпокрытия. Для схемы TiN + УЗО выявлено, что с увеличением числа проходов величина E_corr смещается в сторону более отрицательных значений, приближаясь к значению потенциала коррозии TiNi в состоянии поставки (–350 мВ). С использованием метода сканирующего вибрирующего зонда (SVET) для образцов, подвергнутых обработке УЗО + TiN и TiN + УЗО (n = 1), выявлена высокая электрохимическая совместимость материалов основы (TiNi) и покрытия (TiN) в хлоридной среде с минимальными флуктуациями плотности тока. На основании полученных экспериментальных данных предложен технологический процесс обработки сплава TiNi по схеме TiN + УЗО (n = 1), позволяющий достичь синергетического эффекта упрочнения поверхностного слоя сплава TiNi в сочетании с высокими коррозионными свойствами и улучшенной морфологией поверхности.

1. Kwok D. T. K., Schulz M., Hu T., Chu C., Chu P. K. Surface Treatments of Nearly Equiatomic NiTi Alloy (Nitinol) for Surgical Implants. Biomedical Engineering. Trends in Materials Science. InTech, 2011, ch. 12, pp. 269−282. https://doi.org/10.5772/13212

2. Bagrets D. A., Rubanik V. V., Rubanik V. V. Jr., Bobrov V. P. Microhardness of TiN-TiNi composite produced by ion-plasma deposition. Steel in Translation, 2014, vol. 44, no. 4, pp. 268−271. https://doi.org/10.3103/S0967091214040159

3. Malagin G. A. Plasticity and strength of micro- and nanocrystalline materials. Physics of the Solid State, 2007, vol. 49, pp. 1013–1033. https://doi.org/10.1134/S1063783407060017

4. Artemiev V. V., Klubovich V. V., Rubanik V. V. Ultrasound and Material Processing. Minsk, Ekoperspektiva Publ., 2003. 334 p. (in Russian).

5. Karatas C., Yilbas B. S., Aleem A., Ahsan M. Laser treatment of cemented carbide cutting tool. Journal of Materials Processing Technology, 2007, vol. 183, pp. 234−240. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.10.012

6. Uglov V. V., Cherenda N. N., Anishchik V. M., Stalmashonak A. K., Astashinski V. M., Mishchuk A. A. Formation of alloying layers in a carbon steel by compression plasma flows. Vacuum, 2007, vol. 81, pp. 1341−1344. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2007.01.041

7. Auchinnikau E., Chekan N., Akula I., Eisymont E. Hybride method for hardening of super hard vacuum coatings. Proceeding of the 5th International Conference on Material Science. Varna, 2019, pp. 60−62.

8. Bagrets D. A., Klubovich V. V., Rubanik V. V. The effect of annealing conditions on the adhesive properties of TiN coatings. Journal of Friction and Wear, 2012, vol. 33, pp. 371−373. https://doi.org/10.3103/S1068366612050066

9. Bahrets D. A., Rubanik V. V., Savitsky V. O., Urban V. I. Structural and performance characteristics of titanium nitride coatings for medical use after annealing in air. Bulletin of Vitebsk State Technological University, 2018, no. 2 (35), pp. 37−44 (in Russian). https://doi.org/10.24411/2079-7958-2018-13504

10. Klimenov V. A., Kovalevskaya Zh. G., Agafonova N. S., Tolmachev A. I., Zaitsev K. V., Ivanov Yu. F. Ultrasonic modification – a method of surface preparation before thermal spraying. Tekhnologii remonta, vosstanovleniya i uprochneniya detalei mashin, mekhanizmov, oborudovaniya, instrumenta i tekhnologicheskoi osnastki: Materialy 8-i mezhdunarodnoi prakticheskoi konferentsii-vystavki [Technology of repair, restoration and hardening of machine parts, mechanisms, equipment, tools and technological equipment: Processing of the 8th Internatiоnal Practical Conferences-Exhibitions]. St. Petersburg, 2006, pp. 150−158 (in Russian).

11. Sbitnev A. G. Improving the Wear Resistance of Parts Made of Titanium Alloys Based on the Combined Use of Polyion Implantation and Ultrasonic treatment [dissertation]. Moscow, 2020. 167 p. (in Russian).

12. Kovalevskaya Zh. G. Structure and Properties of Surface Layers and Coatings During Modifying Ultrasonic Treatment [dissertation]. Tomsk, 2018. 334 p. (in Russian)

13. Rubanik V. V., Bahrets D. A., Rubanik V. V. jr., Urban V. I., Uzhekina A. N., Dorodeiko V. G. Setting the functional properties of TiNi alloys during ion-plasma coating deposition process. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2021, vol. 65, no. 1, pp. 119–128 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8323-2021-65-1-119-128

14. Rubanik V. V., Lutsko V. F., Bahrets D. A., Labetsky V. S., Krugleshov A. A., Shakurov I. A. Equipment for ultrasonic surface treatment of titanium alloys. Aktual’nye problemy prochnosti: materialy mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii [Actual Problems of Strength: Materials of the International Scientific Conference]. Minsk, 2022, pp. 394−395 (in Russian).

15. Karpov D. A. Cathodic arc sources and macroparticle filtering. Surface and Coatings Technology, 1997, vol. 96, iss. 1, pp. 22−33. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(98)80008-X

16. Kasprzak K. S., Bialkowski K. Inhibition of antimutagenic enzymes, 8-oxo-dGTpases, by carcinogenic metals. Journal of Inorganic Biochemistry, 2000, vol. 79, pp. 231–236. https://doi.org/10.1016/s0162-0134(99)00240-8

17. Al-Waheidi E. M. Allergic Reaction to Nickel Orthodontic Wire: a Case Report. Quintessence Int., 1995, vol. 26, pp. 385−387.

18. Bass J. K., Fine H., Cisneros G. J. Nickel hypersensitivity in the orthodontic patent. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 1993, vol. 103, iss. 3, pp. 280−285. https://doi.org/10.1016/0889-5406(93)70009-D

19. Takamura K., Hayashi K., Ishinishi N., Yamada T., Sugioka Y. Evaluation of carcinogenecity and chronic toxicity associated with orthopedic implants in mice. Journal of Biomedical Materials Research, 1994, vol. 28, pp. 583−589. https://doi.org/10.1002/jbm.820280508

20. Andreev A. A., Sablev L. P., Grigoriev S. N. Vacuum Arc Coatings. Kharkov, 2010. 318 p. (in Russian).

21. Kharitonov L. G. Determination of Microhardness. Moscow, Metallurgiya Publ., 1967. 47 p. (in Russian).

22. Bastos A. Application of SVET/SIET Techniques to Study Healing Processes in Coated Metal Substrates. Springer International Publishing AG, 2017. 57 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-19454-7_138-2