Том 26 № 4 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Маниканта Д.Э., Амбхор Н., Шамкувар С., Гураджала Н.К., Дакарапу С.Р. Исследование влияния гибридных наножидкостей на растительной основе на производительность обработки при токарной обработке с минимальным количеством СОЖ................................................................................................................................... 6 Дама Й.Б., Джоги Б.Ф., Паваде Р., Кулкарни А.П. Влияние направления печати на характер износа PLAбиоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава......................... 19 Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Сидоров Е.А., Утяганова В.Р., Амиров А.И., Колубаев Е.А. Искажение геометрии, окисление кромки, структурные изменения и морфология поверхности реза листового проката толщиной 100 мм из алюминиевых, медных и титановых сплавов при плазменной резке на токе обратной полярности........................................................................................................................................................................... 41 Соматкар А., Двиведи Р., Чинчаникар С. Сравнительная оценка накатывания роликом сплава Al6061-T6 в условиях сухого трения и в условиях смазки минимальным количеством наножидкости....................................... 57 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка качества и механических свойств получаемых слоев металла из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки............................................................................................................................................... 75 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Юсубов Н.Д., Аббасова Х.М. Систематика многоинструментных наладок на станках токарной группы............... 92 Тошов Дж.Б., Фозилов Д.М., Елемесов К.К., Рузиев У.Н., Абдуллаев Д.Н., Басканбаева Д.Д., Бекирова Л.Р. Повышение стойкости зубьев буровых долот за счет изменения технологии их изготовления.................................. 112 Поспелов И.Д. Исследование распределения нормальных контактных напряжений в очагах деформации при горячей прокатке полос из конструкционных низколегированных сталей для повышения стойкости рабочих валков................................................................................................................................................................................... 125 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Изготовление электродов-инструментов с оптимизированной конфигурацией для копировально-прошивной электроэрозионной обработки методом быстрого прототипирования.............................................................................................................................................. 138 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Шуберт А.В., Коновалов С.В., Панченко И.А. Обзор исследований высокоэнтропийных сплавов, их свойств, методов создания и применения.................................................................................................................................. 153 Сюсюка Е.Н., Аминева Е.Х., Кабиров Ю.В., Пруцакова Н.В. Анализ изменения микроструктуры компрессионных колец вспомогательного судового двигателя.................................................................................................... 180 Дударева А.А., Бушуева Е.Г., Тюрин А.Г., Домаров Е.В., Насенник И.Е., Шикалов В.С., Скороход К.А., Легкодымов А.А. Влияние горячей пластической деформации на структуру и свойства поверхностно модифицированных слоев после вневауумной электронно-лучевой наплавки на сталь 12Х18Н9Т с применением порошковой смеси состава 10Cr-30B...................................................................................................................................................... 192 Болтрушевич А.Е., Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Кузнецова Ю.С. Структура заготовок из сплава инконель 625, полученных электродуговой наплавкой и наплавкой с помощью электронного луча......................... 206 Саблина Т.Ю., Панченко М.Ю., Зятиков И.А., Пучикин А.В., Коновалов И.Н., Панченко Ю.Н. Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением........................................................................................................................................................................... 218 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 234 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 243 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.12.2024. Выход в свет 16.12.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 30,5. Уч.-изд. л. 56,73. Изд. № 165. Заказ 231. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 4 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 4 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Manikanta J.E., Ambhore N., Shamkuwar S., Gurajala N.K., Dakarapu S.R. Investigation of vegetable-based hybrid nanofl uids on machining performance in MQL turning........................................................................................... 6 Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R., Kulkarni A.P. Impact of print orientation on wear behavior in FDM printed PLA Biomaterial: Study for hip-joint implant...................................................................................................................... 19 GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Sidorov E.A., Utyaganova V.R.,AmirovA.I., Kolubaev E.A. Geometry distortion, edge oxidation, structural changes and cut surface morphology of 100mm thick sheet product made of aluminum, copper and titanium alloys during reverse polarity plasma cutting...................................................................................... 41 Somatkar A., Dwivedi R., Chinchanikar S. Comparative evaluation of roller burnishing of Al6061-T6 alloy under dry and nanofl uid minimum quantity lubrication conditions............................................................................................... 57 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the quality and mechanical properties of metal layers from low-carbon steel obtained by the WAAM method with the use of additional using additional mechanical and ultrasonic processing..................................................................................................................................................... 75 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Yusubov N.D., Abbasova H.M. Systematics of multi-tool setup on lathe group machines............................................... 92 Toshov J.B., Fozilov D.M., Yelemessov K.K., Ruziev U.N., Abdullayev D.N., Baskanbayeva D.D., Bekirova L.R. Increasing the durability of drill bit teeth by changing its manufacturing technology......................................................... 112 Pospelov I.D. Investigation of the distribution of normal contact stresses in deformation zone during hot rolling of strips made of structural low-alloy steels to increase the resistance of working rolls..................................................... 125 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Manufacturing of tool electrodes with optimized confi guration for copy-piercing electrical discharge machining by rapid prototyping method.......................... 138 MATERIAL SCIENCE Shubert A.V., Konovalov S.V., Panchenko I.A. A review of research on high-entropy alloys, its properties, methods of creation and application.................................................................................................................................................. 153 Syusyuka E.N., Amineva E.H., Kabirov Yu.V., Prutsakova N.V. Analysis of changes in the microstructure of compression rings of an auxiliary marine engine.......................................................................................................... 180 Dudareva A.A., Bushueva E.G., Tyurin A.G., Domarov E.V., Nasennik I.E., Shikalov V.S., Skorokhod K.A., Legkodymov A.A. The eff ect of hot plastic deformation on the structure and properties of surface-modifi ed layers after non-vacuum electron beam surfacing of a powder mixture of composition 10Cr-30B on steel 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti............................................................................................................................................................................. 192 Boltrushevich A.E., Martyushev N.V., Kozlov V.N., Kuznetsova Yu.S. Structure of Inconel 625 alloy blanks obtained by electric arc surfacing and electron beam surfacing........................................................................................... 206 Sablina T.Y., Panchenko M.Yu., Zyatikov I.A., Puchikin A.V., Konovalov I.N., Panchenko Yu.N. Study of surface hydrophilicity of metallic materials modifi ed by ultraviolet laser radiation........................................................................ 218 EDITORIALMATERIALS 234 FOUNDERS MATERIALS 243 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 218 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением Татьяна Саблина а, *, Марина Панченко b , Илья Зятиков c, Алексей Пучикин d, Иван Коновалов e, Юрий Панченко f Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634055, Россия а https://orcid.org/0000-0002-5941-5732, sabltat@mail.ru; b https://orcid.org/0000-0003-0236-2227, panchenko.marina4@gmail.com; c https://orcid.org/0000-0003-3219-9299, zyatikov@lgl.hcei.tsc.ru; d https://orcid.org/0000-0001-6931-9800, puchikin@lgl.hcei.tsc.ru; e https://orcid.org/0000-0002-1166-1416, ivan@lgl.hcei.tsc.ru; f https://orcid.org/0000-0001-8017-7268, yu.n.panchenko@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 4 с. 218–233 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-218-233 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Основными способами изменения свойств поверхности металлических материалов, используемых как в технике, так и в медицине, являются различные методы нанесения покрытий и различные виды поверхностной обработИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 544.032.65 История статьи: Поступила: 24 сентября 2024 Рецензирование: 05 октября 2024 Принята к печати: 14 октября 2024 Доступно онлайн: 15 декабря 2024 Ключевые слова: Ультрафиолетовое лазерное излучение Поверхность Лазерная обработка Гидрофильность Никелид титана Нержавеющая сталь Краевой угол смачивания Финансирование Работа выполнена при финансовой поддержке Российской Федерации в лице Министерства науки и высшего образования (проект № 07515-2021-1348). АННОТАЦИЯ Введение. Поверхностная модификация с использованием лазерного излучения является перспективным направлением в области создания новых технологий обработки металлических материалов, в том числе медицинского назначения. Способность лазеров изменять поверхностные характеристики материала и, следовательно, его взаимодействие с окружающей средой вызвала большой интерес среди исследователей. Несмотря на многочисленные рекомендации по использованию лазерной обработки поверхности, до сих пор не хватает систематических и детальных исследований по изучению влияния параметров, в особенности ультрафиолетового лазерного воздействия, на структурно-фазовое состояние и свойства модифицированной поверхности. Целью настоящей работы является исследование гидрофильности поверхности никелида титана и стали после УФ-лазерной обработки. Методы исследования. Экспериментальные образцы из сплава на основе никелида титана TiNi (ТН-10) и нержавеющей стали 12Х18Н9Т подвергали локальному (диаметр пучка 0,5 см) воздействию твердотельного Nd:YAG-лазера на длине волны 266 нм с длительностью импульса ~5 нс и частотой повторения импульса 10 Гц. Воздействие на материал осуществляли при постоянной плотности энергии излучения, равной 0,1 Дж/см2, с изменением продолжительности воздействия от 10 до 600 с. До и после УФ-лазерной обработки определяли смачиваемость поверхности материалов и свободную поверхностную энергию. Структуру, элементный и фазовый состав, а также топографию поверхности никелида титана и стали исследовали с помощью растровой электронной микроскопии с определением элементного состава методом энергодисперсионной спектроскопии, рентгенофазового анализа и профилометрии. Результаты и обсуждение. Ультрафиолетовая лазерная обработка поверхности образцов никелида титана и стали приводит к повышению их гидрофильности. В исходном состоянии краевой угол смачивания составляет ≈75° для обоих материалов, а после ультрафиолетовой лазерной обработки он снижается до 11…13° для TiNi и до ≈22° для стали. Фазовый состав стали в процессе лазерной обработки не изменяется, а на поверхности никелида титана после 420 с обработки регистрируются фазы, принадлежащие оксидам. Ультрафиолетовая лазерная обработка никелида титана и стали приводит к увеличению свободной поверхностной энергии, изменению соотношения ее составляющих (уменьшению дисперсной составляющей и значительному росту полярной составляющей) и увеличению содержания кислорода на поверхности обоих материалов. При длительных временах лазерного воздействия (более 420 с) на поверхности обрабатываемого материала происходят изменения морфологии и топографии, приводящие к увеличению шероховатости. Изменение топографии поверхности (шероховатости) никелида титана не оказывает заметного влияния на смачиваемость поверхности металлических материалов, а для стальных образцов наблюдается незначительная тенденция к снижению краевого угла смачивания с увеличением шероховатости. Степень гидрофильности металлических материалов, характеризующаяся краевым углом смачивания, с увеличением продолжительности лазерного воздействия повышается за счет насыщения поверхности свободным кислородом и увеличения свободной поверхностной энергии (ее полярной составляющей). На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что ультрафиолетовая лазерная обработка является эффективным способом изменения смачиваемости металлических материалов. Для цитирования: 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. ______ *Адрес для переписки Саблина Татьяна Юрьевна, к.т.н., инженер Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, 634055, г. Томск, Россия Тел.: +7 913 843-21-78, e-mail: sabltat@mail.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 219 MATERIAL SCIENCE ки [1–5]. Поверхностная модификация с использованием концентрированных потоков энергии представляет собой одно из перспективных направлений в области создания новых технологий обработки металлических материалов, в том числе медицинского назначения (биоматериалов) [1, 6–10]. Основной целью поверхностной обработки металлических биоматериалов является получение на поверхности материала модифицированного слоя, имеющего специфические свойства. Такие поверхностные характеристики, как смачиваемость, поверхностная энергия, шероховатость, фазовый и химический состав, оказывают значительное влияние на биосовместимость материалов в физиологической среде. При этом и коррозионные свойства, и способность к интеграции биоматериалов в живые биологические ткани в большой степени зависят от смачиваемости этих материалов биологическими жидкостями, водными растворами солей и кислот [4, 6, 7, 9, 11, 12]. С точки зрения взаимодействия с биологическими жидкостями, клетками и тканями гидрофильная поверхность более предпочтительна, чем гидрофобная. Поверхность имплантатов с повышенной гидрофильностью дает более высокие показатели остеоинтеграции, т. е. взаимодействия биоматериала с костной тканью без участия соединительной ткани, чем обычные материалы [13]. Способность лазеров изменять поверхностные характеристики материала и, следовательно, его взаимодействие с окружающей средой вызвала большой интерес среди исследователей к использованию этой уникальной особенности для улучшения поведения материала в биологических средах [9, 11, 12, 14–17]. Преимуществом использования лазерного излучения для модификации поверхности различных материалов является то, что лазерное воздействие представляет собой экологически чистый, бесконтактный и относительно быстрый метод, который также характеризуется высокой точностью и возможностью локального воздействия. Регулируя параметры лазерного воздействия, можно избирательно изменять поверхность материала, не влияя на его внутреннюю структуру и объемные свойства. В настоящее время лазеры все чаще используются в качестве инструмента для модификации поверхности различных металлических материалов и устройств, используемых в том числе как биомедицинские материалы в кардиологии, ортопедии и стоматологии [11, 18–20]. В работах [1, 5, 9, 11, 14, 18–22] отмечается, что лазеры в основном применяются для модификации поверхности металлических имплантатов с целью повышения остеоинтеграции, коррозионной стойкости и гидрофильности. Металлические биоматериалы на основе титана, его сплавов и нержавеющей стали используются при изготовлении искусственных сердечных клапанов, кардиостимуляторов, стентов для кровеносных сосудов, эндопротезов костей и суставов (плечевых, коленных, тазобедренных, локтевых), для реконструкции ушных раковин, в лицевой хирургии, а также в качестве стоматологических имплантатов. Они преобладают над другими классами биоматериалов благодаря синергетическому сочетанию превосходных механических свойств, коррозионной стойкости и износостойкости, а также долгосрочной биосовместимости [12, 14, 19, 20, 23, 24]. В последнее время активно изучается контролируемое лазерное воздействие для изменения топографии, морфологии и физико-химических свойств поверхности биоматериалов, в том числе с целью снижения бактериальной адгезии на поверхности имплантатов и, таким образом, настройки их биологических и других поверхностных свойств [11, 16, 17, 20, 22, 25]. Были проведены исследования in vitro и in vivo по оценке влияния лазерного воздействия на адгезию, рост и пролиферацию клеток, смачиваемость, твердость поверхности, механические свойства, морфологию поверхности, антибактериальные свойства и образование биопленки на поверхности имплантатов [13, 15–17, 20, 23, 25, 26]. Следует отметить, что в основном все исследования по лазерной обработке поверхности материалов, направленные на изменение ее морфологии, топографии и свойств, проведены с использованием излучения с длиной волны λ = 1064 нм или λ = 532 нм и высокими значениями плотности энергии или мощности [10, 15, 17, 25, 27]. Работ по исследованию влияния ультрафиолетового (УФ) лазерного излучения (λ < 400 нм) на поверхность материалов – единицы [20, 28, 29]. Однако, несмотря на многочисленные рекомендации по использованию лазерной обработки поверхности, до сих пор не хватает систематических и детальных исследо-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 220 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ваний влияния параметров лазерного излучения на структурно-фазовое состояние и свойства модифицированной поверхности металлических материалов. Целью настоящей работы является исследование гидрофильности поверхности никелида титана и стали после УФ-лазерной обработки. Задачей исследования является проведение сравнительного анализа краевого угла смачивания, структуры, топографии, фазового и химического состава поверхности образцов из никелида титана и стали до и после лазерного воздействия при изменении продолжительности воздействия. Методы исследований Для исследования были взяты экспериментальные образцы в виде пластин с размерами 10×10×1,5 мм (длина × ширина × толщина) из сплава на основе никелида титана TiNi (ТН-10), разработанные в НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы (г. Томск) (условное обозначение – TiNi) и нержавеющей стали 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632–72; условное обозначение – сталь). Образцы предварительно шлифовали на SiC-шлифовальной бумаге различной зернистости Р600…2500 (ISO6344), а затем до глянца полировали алмазными пастами АСМ или АСН 3/2, 2/1, 1/0. Для удаления загрязнений ПАВ после полировки образцы промывали в ультразвуковой ванне (VGT-1620QTD, Китай) последовательно в спирте и ацетоне в течение 10 минут. Ультрафиолетовую лазерную обработку проводили на воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре (22 ± 3 °С). Экспериментальные образцы подвергали воздействию излучения 4-й гармоники Nd:YAG лазера Q-smart 850 (Quantel, Франция) на длине волны 266 нм, длительность импульсов составляла ~5 нс, частота следования импульсов – 10 Гц. Принципиальная схема лазерного воздействия приведена на рис. 1, а. Воздействие на материал осуществляли стационарно, без перемещения образца и пучка, при постоянной плотности энергии излучения, равной 0,1 Дж/см2, а продолжительность воздействия изменяли от 10 до 600 с. Площадь воздействия на поверхность экспериментальных образцов ограничивалась диаметром лазерного пучка d = 0,5 см (рис. 1, б). а б Рис. 1. Схема УФ-лазерной обработки поверхности образцов Fig. 1. Experimental scheme of UV laser treatment on the sample surface До и после УФ-лазерной обработки определяли смачиваемость поверхности материалов методом лежащей капли тестовых жидкостей (деионизированная вода, глицерин) с известными свойствами поверхностной энергии по краевому (контактному) углу смачивания. Измерение краевого угла смачивания осуществляли с помощью фотофиксации капли на поверхности материала. Для этого каплю жидкости объемом 3 мкл из микропипетки наносили на горизонтальную поверхность металлического материала, после чего каплю фотографировали так, чтобы оптическая ось совпадала с плоскостью поверхности материала с каплей. На полученных фотографиях измеряли высоту h и длину базовой линии 2r капли (рис. 2), по которым полуугловым методом по приведенным ниже формулам рассчитывали краевой угол смачивания (Θ): 1 1Þ=Þtg / h r − Θ ; (1)
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 221 MATERIAL SCIENCE Рис. 2. Схема определения краевого угла смачивания Fig. 2. Scheme of measuring the wetting contact angle 1 Þ=Þ2 Θ Θ , (2) где h – высота; r – половина длины базовой линии. Было проведено не менее пяти серий измерения краевого угла смачивания для исходной поверхности и для каждого режима облучения. Свободную поверхностную энергию γs материала до и после лазерного воздействия определяли методом Оунса – Вендта – Рабеля – Кьельбле (ОВРК) [30], используя известные справочные данные поверхностного натяжения, дисперсной составляющей γd и полярной составляющей γp тестовых жидкостей (воды и глицерина), а также полученные данные по краевому углу смачивания. Исследования топографии поверхности никелида титана и стали до и после лазерного воздействия проводили контактным методом с помощью профилометра для трибологических испытаний (Tt-Tribotechnic, Франция), оснащенного алмазной иглой с высоким разрешением (7,55 нм по оси Z) без скользящего элемента. Шероховатость Ra, усредненную по всей длине базовой линии, равной 3 мм, измеряли в соответствии с ГОСТ 2789–73. Проводили не менее пяти измерений для каждого образца. Структуру и элементный состав поверхности материалов до и после облучения оценивали по данным, полученным с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) VEGA 3 TESCAN (Чехия), оснащенного энергодисперсионным анализатором (ЭДС). Фазовый состав образцов TiNi и стали в исходном состоянии и после лазерного воздействия определяли по дифрактограммам, полученным на рентгеновском дифрактометре типа ДРОН («Буревестник», г. Санкт-Петербург, Россия) с фильтрованным CuKα-излучением в интервале углов сканирования 2Θ от 30° до 110°. Качественный и количественный анализ рентгеновских дифрактограмм проводили с использованием программных пакетов PDWin и CDA (ОАО «Буревестник», г. Санкт-Петербург, Россия). Результаты и их обсуждение Измерение и определение контактного угла смачивания деионизированной водой является наиболее простым методом исследования смачиваемости поверхности материалов. На рис. 3 приведены графики зависимости контактного угла смачивания поверхностей никелида титана и стали от продолжительности УФ-лазерного воздействия. На вставках (рис. 3) представлены характерные фото капель воды на поверхности образцов до и после лазерного воздействия. В исходном состоянии значения краевого угла смачивания для образцов никелида титана и стали близки и составляют 75,0 ± 5,1° для образцов TiNi и 75,4 ± 5,4° для стальных образцов. Ультрафиолетовое лазерное воздействие на поверхность металлических материалов приводит к изменению гидрофильности поверхности образцов как никелида титана, так и стали. Контактный угол смачивания уменьшается с увеличением продолжительности УФ-лазерного воздействия. Уже после 10 с воздействия наблюдается значительное уменьшение контактного угла смачивания для обоих материалов по сравнению с исходным состоянием. Для никелида титана контактный угол смачивания уменьшается более чем в два раза, а для стальных образцов происходит снижение примерно на 30 %. Резкое уменьшение контактного угла смачивания происходит вплоть до 120 с воздействия на материал. С дальнейшим увеличением продолжительности воздействия контактный угол смачивания для образцов TiNi практически не изменяется и составляет 11…13°, а для стальных образцов постепенно снижается до минимального значения 22,6 ± 4,2° при воздействии в течение 600 с. Как видно из рис. 3, во-первых, при увеличении продолжительности УФ-лазерной обработки наблюдаются различия в кинетике изменения контактного угла смачивания для TiNi и стали. При
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1