ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Широкое внедрение функциональных сплавов на основе TiNi в медицине требует целенаправленного управления их поверхностными свойствами, такими как смачиваемость и биосовместимость. Одним из перспективных методов модификации поверхности является лазерная обработка, в особенности в УФ-диапазоне. Эффективность УФ-лазерной обработки обусловлена высокой энергией фотонов, сильным поглощением в металлах и малой глубиной зоны термического влияния. Целью данной работы является исследование влияния длины волны УФ-лазерного излучения (266 и 355 нм) на структурно-фазовое состояние, химический состав и смачиваемость поверхности сплава TiNi для последующего управления функциональными свойствами материала. Материалы и методы исследования. Модификация поверхности образцов TiNi проводилась импульсным Nd:YAG-лазером с длинами волн 266 и 355 нм в воздушной среде. Для анализа результатов использовались растровая электронная микроскопия с энергодисперсионной спектроскопией и рентгенофазовый анализ для изучения микроструктуры, элементного и фазового состава. Смачиваемость оценивали методом сидячей капли. На основе данных по контактному углу смачивания рассчитывали свободную поверхностную энергию и ее дисперсионную и полярную составляющие по методу ОВРК. Результаты и обсуждение. Установлено, что УФ-лазерная обработка при варьировании таких параметров, как длина волны излучения и скорость лазерного сканирования, приводит к изменению морфологии, количественного соотношения элементов, фазового состава поверхностного слоя образцов сплава TiNi и его поверхностных свойств. После УФ-лазерного воздействия с длиной волны 355 и 266 нм при низких скоростях сканирования (V = 200 и 500 мкм/с) на поверхности образцов регистрируются единичные микротрещины или сетка микротрещин, вызванные влиянием зоны термического воздействия. После УФ-лазерной обработки количество кислорода на поверхности TiNi по сравнению с исходным состоянием увеличивается в 5–18 раз. Фазовый состав никелида титана также претерпевает заметные изменения: на поверхности после лазерного воздействия регистрируются фазы, принадлежащие оксидам титана. Воздействие излучения с более высокоэнергетичными фотонами (λ = 266 нм) на поверхность TiNi приводит к ярко выраженному изменению морфологии и свойств поверхности по сравнению с излучением с длиной волны 355 нм в идентичных режимах. Продемонстрировано, что УФ-лазерная обработка приводит к значительному повышению гидрофильности поверхности: контактный угол смачивания уменьшается с ~75° в исходном состоянии до ~25° и ~11° после обработки излучением с длинами волн 355 и 266 нм соответственно. Кроме этого, наблюдается рост свободной поверхностной энергии образцов TiNi преимущественно за счет значительного увеличения ее полярной составляющей.

1. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities / J.M. Jani, M. Leary, A. Subic, M.A. Gibson // Materials & Design. – 2014. – Vol. 56. – P. 1078–1113. – DOI: 10.1016/j.matdes.2013.11.084.

2. Fabrication of NiTi through additive manufacturing: A review / M. Elahinia, N.S. Moghaddam, M.T. Andani, A. Amerinatanzi, B.A. Bimber, R.F. Hamilton // Progress in Materials Science. – 2016. – Vol. 83. – P. 630–663. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2016.08.001.

3. In vivo biocompatibility evaluation of nickel-titanium shape memory metal alloy: Muscle and perineural tissue responses and encapsule membrane thickness / J. Ryhänen, M. Kallioinen, J. Tuukkanen, J. Junila, E. Niemelä, P. Sandvik, W. Serlo // Journal of Biomedical Materials Research. – 1998. – Vol. 41 (3). – P. 481–488. – DOI: 10.1002/(sici)1097-4636(19980905)41:3<481::aid-jbm19>3.0.co;2-l.

4. Liu K., Yao X., Jiang L. Recent developments in bio-inspired special wettability // Chemical Society Reviews. – 2010. – Vol. 39 (8). – P. 3240–3255. – DOI: 10.1039/b917112f.

5. Improvements of anti-corrosion and mechanical properties of NiTi orthopedic materials by acetylene, nitrogen and oxygen plasma immersion ion implantation / R.W.Y. Poon, J.P.Y. Ho, X. Liu, C.Y. Chung, P.K. Chu, K.W.K. Yeung, W.W. Lu, K.M.C. Cheung // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2005. – Vol. 237 (1–2). – P. 411–416. – DOI: 10.1016/j.nimb.2005.05.030.

6. Slobodyan M.S., Markov A.B. Laser and electron-beam surface processing on TiNi shape memory alloys: A review // Russian Physics Journal. – 2024. – Vol. 67 (5). – P. 565–615. – DOI: 10.1007/s11182-024-03158-5.

7. Microstructural characterization of Ti-Ta-based surface alloy fabricated on TiNi SMA by additive pulsed electron-beam melting of film/substrate system / L.L. Meisner, A.B. Markov, V.P. Rotshtein, G.E. Ozur, S.N. Meisner, E.V. Yakovlev, V.O. Semin, Yu.P. Mironov, T.M. Poletika, S.L. Girsova, D.A. Shepel // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 730. – P. 376–385. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.09.238.

8. Surface oxidation of NiTi shape memory alloy / G.S. Firstov, R.G. Vitchev, H. Kumar, B. Blanpain, J. Van Humbeeck // Biomaterials. – 2002. – Vol. 23 (24). – P. 4863–4871. – DOI: 10.1016/S0142-9612(02)00244-2.

9. Phase formation during air annealing of Ti-Ni-Ti laminate / E. Marchenko, Yu. Yasenchuk, G. Baigonakova, S. Gunther, M. Yuzhakov, S. Zenkin, A. Potekaev, K. Dubovikov // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 388. – P. 125543. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125543.

10. Influence of laser surface texturing on the surface morphology and wettability of metals and non-metals: A review / M.A. Khan, A.M. Halil, M.S.Z. Abidin, M.H. Hassan, A.A.A. Rahman // Materials Today Chemistry. – 2024. – Vol. 41. – P. 102316. – DOI: 10.1016/j.mtchem.2024.102316.

11. Surface characterizations of laser modified biomedical grade NiTi shape memory alloys / A. Pequegnat, A. Michael, J. Wang, K. Lian, Y. Zhou, M.I. Khan // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – Vol. 50. – P. 367–378. – DOI: 10.1016/j.msec.2015.01.085.

12. Laser-induced wettability gradient surface on NiTi alloy for improved hemocompatibility and flow resistance / Q. Zhang, J. Dong, M. Peng, Z. Yang, Y. Wan, F. Yao, J. Zhou, C. Ouyang, X. Deng, H. Luo // Materials Science and Engineering: C. – 2020. – Vol. 111. – P. 110847. – DOI: 10.1016/j.msec.2020.110847.

13. Ultrashort laser texturing of superelastic NiTi: Effect of laser power and scanning speed on surface morphology, composition and wettability / C.A. Biffi, J. Fiocchi, M. Rancan, S. Gambaro, F. Cirisano, L. Armelao, A. Tuissi // Metals. – 2023. – Vol. 13 (2). – P. 381. – DOI: 10.3390/met13020381.

14. Chan C.-W., Carson L., Smith G.C. Fibre laser treatment of martensitic NiTi alloys for load-bearing implant applications: Effects of surface chemistry on inhibiting Staphylococcus aureus biofilm formation // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 349. – P. 488–502. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.06.015.

15. The effect of fs-laser micromachining parameters on surface roughness, bio-corrosion and biocompatibility of nitinol / V. Chenrayan, V. Vaishnav, K. Shahapurkar, P. Dhanabal, M. Kalayarasan, S. Raghunath, M. Mano // Optics & Laser Technology. – 2024. – Vol. 170. – P. 110200. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2023.110200.

16. Surface morphology modifications of titanium based implant induced by 40 picosecond laser pulses at 266 nm / D.S. Milovanovic, B.B. Radak, B.M. Gakovic, D. Batani, M.D. Momcilovic, M.S. Trtica // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – Vol. 501 (1). – P. 89–92. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.04.047.

17. Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением / Т.Ю. Саблина, М.Ю. Панченко, И.А. Зятиков, А.В. Пучикин, И.Н. Коновалов, Ю.Н. Панченко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 218–233. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-218-233.

18. Study on the surface properties and biocompatibility of nanosecond laser patterned titanium alloy / Y. Wang, M. Zhang, K. Li, J. Hu // Optics & Laser Technology. – 2021. – Vol. 139. – P. 106987. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2021.106987.

19. Biocompatibility of micro/nanostructures nitinol surface via nanosecond laser circularly scanning / S. Li, Z. Cui, W. Zhang, Y. Li, L. Li, D. Gong // Materials Letters. – 2019. – Vol. 255. – P. 126591. – DOI: 10.1016/j.matlet.2019.126591.

20. Hebbar R.S., Isloor A.M., Ismail A.F. Contact angle measurements // Membrane Characterization / ed. by N. Hilal, A.F. Ismail, T. Matsuura, D. Oatley-Radcliffe. – Elsevier, 2017. – P. 219–255. – DOI: 10.1016/B978-0-444-63776-5.00012-7.

21. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers // Journal of Applied Polymer Science. – 1969. – Vol. 13 (8). – P. 1741–1747. – DOI: 10.1002/app.1969.070130815.

22. Razi S., Mollabashi M., Madanipour K. Laser processing of metallic biomaterials: An approach for surface patterning and wettability control // The European Physical Journal Plus. – 2015. – Vol. 130. – P. 247. – DOI: 10.1140/epjp/i2015-15247-5.

23. Application of laser ablation in adhesive bonding of metallic materials: A review / J. Min, H. Wan, B.E. Carlson, J. Lin, C. Sun // Optics & Laser Technology. – 2020. – Vol. 128. – P. 106188. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106188.

24. Repetitive nanosecond laser-induced oxidation and phase transformation in NiTi alloy / H. Choi, M. Na, I. Jun, M.-H. Lee, H.-D. Jung, H. Lee, J. Han, K. Lee, C.-H. Park, H.-E. Kim, J. Song, Y.-H. Koh, S. Kim // Metals and Materials International. – 2024. – Vol. 30. – P. 1200–1208. – DOI: 10.1007/s12540-023-01581-w.

25. The influence of surface treatment on wettability of TiNi-based alloy / Yu.F. Yasenchuk, S.V. Gunther, O.V. Kokorev, E.S. Marchenko, V. Gunther, G.A. Baigonakova, K.M. Dubovikov // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62 (2). – P. 333–338. – DOI: 10.1007/s11182-019-01716-w.

26. Surface free energy dominates the biological interactions of postprocessed additively manufactured Ti-6Al-4V / V.M. Villapun Puzas, L.N. Carter, C. Schröder, P.E. Colavita, D.A. Hoey, M.A. Webber, O. Addison, D.E.T. Shepherd, M.M. Attallah, L.M. Grover, S.C. Cox // ACS Biomaterials Science & Engineering. – 2022. – Vol. 8 (10). – P. 4311–4326. – DOI: 10.1021/acsbiomaterials.2c00298.

27. Laser-assisted tailoring of surface wettability – Fundamentals and applications: A critical review / A. Peethan, V.K. Unnikrishnan, S. Chidangil, S.D. George // Progress in Adhesion and Adhesives. Vol. 5: Surface modification of polymers: methods and applications / ed. by K.L. Mittal, S.D. George. – Scrivener Publishing LLC, 2020. – P. 331–265. – ISBN 9781119748069. – DOI: 10.1002/9781119749882.ch11.

28. Изменение смачиваемости поверхности нержавеющей стали на основе лазерного текстурирования рельефа / А.В. Рыженков, А.В. Волков, Е.С. Трушин, С.П. Черепанов // Глобальная энергия. – 2022. – Т. 28, № 4. – С. 136–146. – DOI: 10.18721/JEST.28409.