Вплив зовнішніх дій на фізико-хімічні властивості поверхні сплавів Co-Cr-Mo

ВИСНОВКИ

У дисертації з використанням комплексу структурних та спектроскопічних методів встановлені основні закономірності еволюції фізико-хімічного стану та властивостей поверхневих шарів медичних Сo-Сr-Mo сплавів в залежності від параметрів термічної або інтенсивної механічної обробці.

Основні результати роботи можуть бути сформульовані наступним чином:

1. При ізотермічній витримці в вакуумі в інтервалі температур 773-1063 К, в поверхневих шарах відбуваються концентраційні зміни (поверхнева сегрегація), зокрема, зменшується концентрація атомів Мо і збільшується концентрація атомів Cr та Co. Поверхневі сегрегації мають дифузійний характер; аналіз їх кінетичних залежностей дозволив визначити об'ємні коефіцієнти дифузії атомів Со та енергію активації в сплаві Co-Cr-Mo;

2. Лазерне опромінення Co-Cr-Mo сплавів на повітрі з випаровуванням матеріалу призводить до формування поверхневого шару з переважним вмістом оксиду Cr₂O₃ та специфічним рельєфом, що складається із зон впорядкованої пористої структури (розмір пір 100-200 нм) та сфероїдальних кристалів розміром ~1 мкм з різної кількістю граней. При цьому формуються також одиничні кристали з п'ятьма гранями, що може вказувати на формування екзотичних наноструктурних об'єктів з віссю симетрії 5-го порядку;

3. Після лазерного опромінення Co-Cr-Mo сплаву в середовищі аргону на поверхні утворюється періодичний кільцевий рельєф. При цьому період хвиль даного виду рельєфу залежить від густини потужності лазерного опромінення. Така структура має хімічний склад близький до евтектичного. В основі механізму утворення періодичного поверхневого рельєфу лежать процеси, пов'язані з застиганням на поверхні капілярних хвиль розплавленого металу;

4. Обробка поверхні сплаву прискореними мікрочастками оксиду алюмінію, що широко застосовується в стоматологічній практиці, формує поверхневий шар з шорсткістю ~ 2,5 мкм, збагачений оксидами Al₂O₃, Cr₂O₃ та SiO₂, без імплантації часток Al₂O₃. Встановлено режими даної обробки Co-Cr-Mo сплаву, при яких відбувається наноструктурування приповерхневого шару товщиною до 5 мкм. Розмір зерен монотонно зростає від 30 нм до 90 нм за глибиною;

5. При інтенсивному пластичному деформуванні ультразвуковою ударною обробкою в приповерхневому шарі Co-Cr-Mo сплаву відбувається деформаційно стимульований г>е перехід з утворенням до 67 % ГЩУ-фази. Така обробка стимулює утворення хаотичних дефектів пакування типу вилучення, що перешкоджають утворенню суцільної нанокристалічної структури в приповерхневому шарі Co-Cr-Mo сплаву, проте відбувається утворення нанорозмірних зерен мартенситної фази. Сукупність структурних перетворень при деформації УЗУО обумовлює зміцнення поверхні, зокрема підвищення мікротвердості;

6. За результатами рентгеноструктурних та мікроскопічних досліджень поверхні Co-Cr-Mo сплавів після інтенсивних механічних обробок, запропоновано структурний механізм поверхневого наноструктурування в металах з низькою енергією дефектів пакування, який відбувається в три стадії. На першому етапі формується планарна структура дислокацій та двійників. На другому етапі відбувається розділ зерен внаслідок двійникування та мартенситного перетворення. Третя стадія відповідає саме формуванню нанозерен. Формування наноструктури обумовлене трьома важливими факторами: 1) високим ступенем деформації; 2) високою швидкістю деформації (за оцінками близько 10^3-10⁴ с^-1); 3) різноспрямованим ударним навантаженням, що повторюється;

7. Встановлено підвищення корозійної стійкості сплавів після лазерної та інтенсивної механічної обробок, обумовлене зміною морфології та фізико-хімічного стану поверхні.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Васильев М.А. Нанокристаллизация металлических поверхностей методами интенсивной пластической деформации (обзор) / М.А. Васильев, Г.И. Прокопенко, В.С. Филатова // Успехи физики металлов. - 2004. - Т. 5, № 2. - С. 345-399.

2. Васильєв М.О. Зміна фізико-хімічного стану поверхні стоматологічних сплавів після лазерної обробки / М.О. Васильєв, П.А. Гурин, В.С. Філатова // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. - 2005. - № 17. - С. 87-90.

3. Послойная эволюция микроструктуры в сплаве Cu-Zn после пескоструйной обработки / Ю.Н. Петров, М.А. Васильев, Л.Н. Трохимова, В.С. Филатова // Успехи физики металлов. - 2006. - Т. 7, № 3. - С. 173-187.

4. Зміна фізико-хемічного стану поверхні стоматологічного стопу Co-Cr-Mo після піскоструминної обробки / М.О. Васильєв, А.Й. Сенкевич, В.С. Філатова, П.А. Гурин // Металлофизика и новейшие технологии. - 2006. - Т. 28, Специальный выпуск. - С. 75-81.

5. Васильев М.А. Физико-химические свойства поверхности недрагоценных сплавов, применяемых в ортопедической стоматологии (обзор). Ч. I / М.А. Васильев, В.С. Филатова, П.А. Гурин // Журнал функциональных материалов. - 2007. - Т.1, №2. - С. 42-48.

6. Васильев М.А. Физико-химические свойства поверхности недрагоценных сплавов, применяемых в ортопедической стоматологии (обзор). Ч. II / М.А. Васильев, В.С. Филатова, П.А. Гурин // Журнал функциональных материалов. - 2007. - Т.1, №3. - С. 93-97.

7. Васильев М.А. Физико-химические свойства поверхности недрагоценных сплавов, применяемых в ортопедической стоматологии (обзор). Ч. III / М.А. Васильев, В.С. Филатова, П.А. Гурин // Журнал функциональных материалов. - 2007. - Т.1, №4. - С. 146-151.

8. Васильєв М.О. Макро- та мікрорельєф поверхні стоматологічного сплаву Co-Cr-Mo після піскоструминної обробки / М.О. Васильєв, В.С. Філатова, П.А. Гурин // Металлофизика и новейшие технологии. - 2007. - Т. 29, № 6. - С. 771-779.

9. Тиньков В.А. Анализ физико-химического состояния поверхности стоматологического сплава Co-Cr-Mo методами вторично-электронной спектроскопии / В.А. Тиньков, В.С. Филатова // Металлофизика и новейшие технологии. - 2007. - Т. 29, №. 7. - С. 867-885.

10. Васильев М.А. Кинетика термоиндуцированной поверхностной сегрегации в тройной системе Co-Cr-Mo / М.А. Васильев, В.А. Тиньков, В.С. Филатова // Металлофизика и новейшие технологии. - 2008. - Т. 30, № 2. - С. 267-273.

Список цитованої літератури:

1. Activation energy of sulphur diffusion in ferromagnetic б-iron determined by surface segregation studies / W. Arabczyk, M. Militzer, H. -J. Mьssig [et al.]// Scripta Metallurgica. - 1986. - Vol. 20, № 11. - P. 1549-1554.

АНОТАЦІЯ

Філатова В.С. Вплив зовнішніх дій на фізико-хімічні властивості поверхні сплавів Co-Cr-Mo. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 - фізика і хімія поверхні. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2009.

Встановлені основні закономірності еволюції фізико-хімічного стану та властивостей поверхневих шарів медичних Сo-Сr-Mo сплавів в залежності від параметрів термічної або інтенсивної механічної обробці.

Встановлені механізм і кінетика термостимульованої поверхневої сегрегації компонентів сплаву; визначені їх коефіцієнти дифузії та енергія активації. Встановлено, що обробка імпульсним лазерним опроміненням сплавів на повітрі призводить до формування поверхневого шару з переважним вмістом оксидів та специфічного рельєфу. Обробка в середовищі аргону на поверхні утворює хвильовий рельєф; період капілярних хвиль залежить від густини опромінення.

За результатами структурних досліджень запропоновано механізм поверхневого наноструктурування в сплавах з низькою енергією дефектів пакування при обробці прискореними мікрочастками або ультразвукової ударної обробки. Встановлено специфічні особливості закономірності формування хімічних зв'язків на поверхні сплаву після різноманітних енергетичних впливів.

Ключові слова: сплав Co-Cr-Mo, фізико-хімічні властивості, поверхневий шар, лазерна обробка, інтенсивна механічна обробка, наноструктурування.

АННОТАЦИЯ

Филатова В.С. Влияние внешних воздействий на физико-химические свойства поверхности сплавов Co-Cr-Mo. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика и химия поверхности. - Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена установлению закономерностей изменения физико-химического состояния приповерхностных слоев сплавов Co-Cr-Mo при термической и интенсивной механической обработках.

Установлено, что при изотермичной выдержке в вакууме в интервале температур 773-1063 К в поверхностных слоях происходят концентрационные изменения (поверхностная сегрегация), в частности, уменьшается концентрация атомов Мо и увеличивается концентрация атомов Сr и Co. Поверхностные сегрегации носят диффузионный характер; анализ их кинетических зависимостей позволил определить объемные коэффициенты диффузии атомов Со и энергию активации в сплаве Co-Cr-Mo.

Показано, что лазерное облучение Co-Cr-Mo сплавов на воздухе с испарением материала приводит к формированию поверхностного слоя с преимущественным содержанием оксида Cr₂O₃ и специфическим рельефом, состоящим из зон упорядоченной пористой структуры (размер пор 100-200 нм) и сфероидальных кристаллов размером ~ 1 мкм с разным количеством граней. Вместе с тем после лазерного облучения в среде аргона на поверхности Co-Cr-Mo сплавов образуется периодический кольцевой рельеф. Период колец данного вида рельефа зависит от плотности мощности лазерного излучения. В основе механизма образования периодического поверхностного рельефа лежат процессы, связанные с формированием на поверхности капиллярных волн расплавленного металла.

Обнаружено, что обработка поверхности сплава ускоренными микрочастицами оксида алюминия, которая широко используется в стоматологической практике, формирует поверхностный слой с шероховатостью ~ 2,5 мкм, обогащенный оксидами Al₂O₃, Cr₂O₃ и SiO₂, без имплантации частиц Al₂O₃. Установлены режимы данной обработки Co-Cr-Mo сплава, при которых происходит наноструктурирование приповерхностного слоя толщиной до 5 мкм. Размер зерен монотонно увеличивается от 30 до 90 нм по глубине приповерхностного слоя.

При интенсивной пластической деформации ультразвуковой ударной обработкой (УЗУО) в приповерхностном слое Co-Cr-Mo сплава происходит деформационно-стимулированный г>е переход с образованием до ГПУ-фазы. Данная обработка приводит к образованию хаотических дефектов упаковки типа вычитания, что препятствует формированию полной нанокристаллической структуры в приповерхностном слое Co-Cr-Mo сплава, в тоже время возникают наноразмерные зерна мартенситной фазы. Совокупность структурных превращений при деформации УЗУО обуславливает упрочнение поверхности, в частности увеличение микротвердости и повышению коррозионной стойкости.

По результатам рентгеноструктурных и микроскопических исследований поверхности Co-Cr-Mo сплавов после интенсивных механических обработок предложен структурный механизм поверхностного наноструктурирования в металлах с низкой энергией дефектов упаковки. На первом этапе образования наноструктуры формируется планарная структура дислокаций и двойников. На втором этапе происходит разделение зерен вследствие двойникования и мартенситного превращения. Третья стадия соответствует формированию нанозерен. Процесс наноструктурирования обусловлен тремя факторами: высокой степенью и скоростью деформации, а также разнонаправленными повторяющимися ударными нагрузками.

Ключевые слова: сплав Co-Cr-Mo, физико-химические свойства, поверхностный слой, лазерная обработка, интенсивная механическая обработка, наноструктурирование.

ABSTRACT

Filatova V.S. Influence of the external actions on the physical and chemical surface properties of the Co-Cr-Mo alloys. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by specialty 01.04.18 - physics and chemistry of the surface. - Institute for Metal Physics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2009.

It is set basic conformities of the evolution of the physico-chemical state and the near surface region properties of the medical Сo-Сr-Mo alloys depending on the parameters of the thermal or intensive mechanical treatment.

The mechanism and kinetics of thermo stimulated surface segregation of the alloy components is investigated; their coefficients of the diffusion and energy activating are determined. It is shown that treatment by the impulsive laser irradiation of alloys on air results in forming of superficial layer with overwhelming maintenance of the oxides and specific relief. Treatment in the environment of argon on a surface forms waving relief; the period of capillary waves depends on power density of the laser irradiation.

As a result of structural researches the formation mechanism of surface nanostructure is offered in alloys with low energy of packing defects at treatment by speed-up microparts or ultrasonic shock treatment. The specific features of conformity to the law of the chemical bonds forming are set on the surface of the alloy after the various power influencing.

Keywords: the Co-Cr-Mo alloy, physical and chemical properties, surface layers, laser treatment, intensive mechanical treatment, form of nanostructure.

Размещено на Allbest.ru