ФИЗИКА-МЕХАНИКАЛЫҚ СИПАТТАМАЛАРЫ ЖАҚСАРТЫЛҒАН БИОМЕДИЦИНАЛЫҚ ҚОЛДАНУҒА АРНАЛҒАН ТИТАН-АЛТЫН (TI-AU) НЕГІЗІНДЕГІ ЖҰҚА ЖАБЫНДАРДЫ АЛУ ЖӘНЕ ЗЕРТТЕУ
https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-4-374-385
Аңдатпа
Бұл ғылыми мақалада 450 °C жоғарғы температурада тұрақты (DC) және жоғары жиілікті (RF) тоқ режимінде вакуумдық ортада PVD (магнетрондық бүрку) әдісімен алынған Ti-Au негізіндегі жұқа жабын бетінің құрылымы мен қасиеттері зерттелді. NanoPVD қондырғысымен алынған жұқа жабындардың, қалыңдықтары орташа есеппен 1 мкм құрады. Эксперименттік зерттеулер көрсеткендей, жабындардың химиялық құрамы, микроқұрылымы және қасиеттері магнетрондық бүрку әдісінің технологиялық параметрлеріне тығыз байланысты екені анықталды. Ti-Au жабындарының микроқұрылымы мен механикалық қасиеттеріне Ag және Cu қоспаларының әсері растрлы электронды микроскопия (SEM), энергия-дисп ерсиялық микроанализ (EDX) және рентгендік дифрактометрия (XRD) әдістері арқылы зерттелді. Жабын беттінің кедір-бұдырлық сипаттамалары атомдық-күштік микроскопия (AFM) арқылы талданды, ал жабындардың қасиеттеріндегі өзгерістерді жан-жақты бағалау үшін наноқаттылық пен трибологиялық сынақтар жүргізілді. PVD әдісімен Ti6Al4V төсеніш бетінің модификациясы оның тозуға төзімділігін арттырып, үйкеліс коэффициентін төмендететіні көрсетілді. Рентгендік фазалық талдау нәтижелері бойынша, алынған жұқа жабындардың трибологиялық қасиеттерінің жақсаруы, тікелей негізгі Ti3Au фазасының түзілуімен және оның мөлшерінің артуымен байланысты екені анықталды.
Тірек сөздер
Авторлар туралы
Д. К. ЕскермесовҚазақстан
PhD, қауымдастырылған профессор
Өскемен қ.
С. С. Лукос
Бірікккен Корольдік
Ньюкасл қ.
М. Биркетт
Бірікккен Корольдік
PhD, профессор
Ньюкасл қ.
С. А. Пазылбек
Қазақстан
PhD, қауымдастырылған профессор
Шымкент қ.
А. С. Ескермесова
Қазақстан
магистр, кіші ғылыми қызметкер
Өскемен қ.
Ж. Т. Төлеуханова
Қазақстан
магистр, аға оқытушы
Өскемен қ.
Әдебиет тізімі
1. Wilches, L.V., Uribe, J.A. and Toro, A. Wear of materials used for artificial joints in total hip replacements. Wear, 265(1–2), 143–149 (2008). https://doi.org/10.1016/j.wear.2007.09.010.
2. Rahmati, B., Sarhan, A.A., Zalnezhad, E., Kamiab, Z., Dabbagh, A., Choudhury, D., and Abas W.A. Development of tantalum oxide (Ta-O) thin film coating on biomedical Ti-6Al-4V alloy to enhance mechanical properties and biocompatibility. Ceramics International, 42(1), 466–480 (2016). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.08.133.
3. Panjwani, B., Satyanarayana, N., and Sinha, S.K. Tribological characterization of a biocompatible thin film of UHMWPE on Ti6Al4V and the effects of PFPE as top lubricating layer. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 4(7), 953–960 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2011.02.005.
4. Guan, J., Jiang, X., Xiang, Q., Yang, F., and Liu, J. Corrosion and tribocorrosion behavior of titanium surfaces designed by electromagnetic induction nitriding for biomedical applications. Surface and Coatings Technology, 409, 126844 (2021). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126844.
5. Wei, M., Yu, H., Song, Z., Yin, Y., Zhou, X., Wang, H., et al. Microstructural evolution, mechanical properties and wear behavior of in-situ TiC-reinforced Ti matrix composite coating by induction cladding. Surface and Coatings Technology, 412, 127048 (2021). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127048.
6. Mu, J., Wang, H., Qin, B., Zhang, Y., Chen, L., and Zeng, C. Improved wear and corrosion resistance of biological compatible TiZrNb films on biomedical Ti6Al4V substrates by optimizing sputtering power. Surface and Coatings Technology, 428, 127866 (2021). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127866.
7. Wang, Y.H., Yang, Z.B., Hu, S.Y., Zhao, Y.H., Ren, H., Gong, F., and Xie, Z.W. Tailoring growth structure, wear and corrosion properties of TiN coatings via gradient bias and arc enhanced glow discharge. Surface and Coatings Technology, 450, 129015 (2022). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.129015.
8. Özkan, D., Yılmaz, M.A., Szala, M., Türküz, C., Chocyk, D., Tunç, C., et al. Effects of ceramic-based CrN, TiN, and AlCrN interlayers on wear and friction behaviors of AlTiSiN+TiSiN PVD coatings. Ceramics International, 47(14), 20077–20089 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.04.015
9. Çomaklı, O., Yazıcı, M., Demir, M., Yetim, A.F., and Celik, A. Effect of bilayer numbers on structural, mechanical, tribological and corrosion properties of TiO2–SiO2 multilayer film-coated β-type Ti45Nb alloys. Ceramics International, 49(2), 3007–3015 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.09.285
10. Bai, H., Zhong, L., Kang, L., Liu, J., Zhuang, W., Lv, Z., and Xu, Y. A review on wear-resistant coating with high hardness and high toughness on the surface of titanium alloy. Journal of Alloys and Compounds, 882, 160645 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160645.
11. Lopes, C., Gonçalves, C., Borges, J., Polcar, T., Rodrigues, M.S., Barradas, N.P., et al. Evolution of the functional properties of titanium–silver thin films for biomedical applications: Influence of invacuum annealing. Surface and Coatings Technology, 261, 262–271 (2015). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.020.
12. Łępicka, M., Grądzka-Dahlke, M., Pieniak, D., Pasierbiewicz, K., Kryńska, K., and Niewczas A. Tribological performance of titanium nitride coatings: A comparative study on TiN-coated stainless steel and titanium alloy. Wear, 422, 68–80 (2019). https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.01.029.
13. Birkett, M., Penlington, R., Wan, C., and Zoppi, G. Structural and electrical properties of CuAlMo thin films prepared by magnetron sputtering. Thin Solid Films, 540, 235–241 (2013). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.05.145.
14. Ruggiero, A., D’Amato, R., and Gómez, E. Experimental analysis of tribological behavior of UHMWPE against AISI420C and against TiAl6V4 alloy under dry and lubricated conditions. Tribology International, 92, 154–161 (2015). https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.06.005.
15. Ait-Djafer, A.Z., Saoula, N., Aknouche, H., Guedouar, B., and Madaoui, N. Deposition and characterization of titanium aluminum nitride coatings prepared by RF magnetron sputtering. Applied Surface Science, 350, 6–9 (2015). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.02.053.
16. Lukose, C.C., Anestopoulos, I., Mantso, T., Bowen, L., Panayiotidis, M.I., and Birkett, M. Thermal activation of Ti(1-x)Au(x) thin films with enhanced hardness and biocompatibility. Bioactive Materials, 15, 426–445 (2022). https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.02.027.
17. Villapún, V.M., Lukose, C.C., Birkett, M., Dover, L.G., and González, S. Tuning the antimicrobial behaviour of Cu85Zr15 thin films in “wet” and “dry” conditions through structural modifications. Surface and Coatings Technology, 350, 334–345 (2018). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.06.094,
18. Lukose, C.C., Chavignon, C., Mantso, T., Panayiotidis, M.I., and Birkett, M. Enhanced mechanical and biocompatibility performance of Ti(1-x)Ag(x) coatings through intermetallic phase modification. Materials Characterization, 194, 112401 (2022). https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112401,
19. Birkett, M., Dover, L., Lukose, C.C., Zia, A.W., Tambuwala, M.M., and Serrano-Aroca, Á. Recent advances in metal-based antimicrobial coatings for high-touch surfaces. International Journal of Molecular Sciences, 23(3), 1162 (2022). https://doi.org/10.3390/ijms23031162.
20. Lukose, C.C., Anestopoulos, I., Panagiotidis, I.S., Zoppi, G., Black, A.M., Dover, L.G., et al. Biocompatible Ti3Au–Ag/Cu thin film coatings with enhanced mechanical and antimicrobial functionality. Biomaterials Research, 27(1), 93 (2023). https://doi.org/10.1186/s40824-023-00435-1.
21. Macías, H.A., Yate, L., Coy, L.E., Olaya, J.J., and Aperador, W. Effect of nitrogen flow ratio on microstructure, mechanical and tribological properties of TiWSiNx thin film deposited by magnetron cosputtering. Applied Surface Science, 456, 445–456 (2018). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.06.129.
22. Baptista, A., Silva, F., Porteiro, J., Míguez, J., and Pinto, G. Sputtering physical vapour deposition (PVD) coatings: A critical review on process improvement and market trend demands. Coatings, 8(11), 402 (2018). https://doi.org/10.3390/coatings8110402.
23. Palmero, A., Alcala, G., and Alvarez, R. Editorial for Special Issue: Nanostructured Surfaces and Thin Films Synthesis by Physical Vapor Deposition. Nanomaterials, 11(1), 148 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11010148.
24. Yumusak, G., Leyland, A., and Matthews, A. The effect of pre-deposited titanium-based PVD metallic thin films on the nitrogen diffusion efficiency and wear behaviour of nitrided Ti alloys. Surface and Coatings Technology, 394, 125545 (2020). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125545.
25. Yumusak, G., Leyland, A., and Matthews, A.A microabrasion wear study of nitrided α-Ti and β-TiNb PVD metallic thin films, pre-deposited onto titanium alloy substrates. Surface and Coatings Technology, 442, 128423 (2022). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128423.
26. Thampi, V.A., Bendavid, A., and Subramanian, B. Nanostructured TiCrN thin films by Pulsed Magnetron Sputtering for cutting tool applications. Ceramics International, 42(8), 9940–9948 (2016). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.03.095.
27. Wojcieszak, D., Osekowska, M., Kaczmarek, D., Szponar, B., Mazur, M., Mazur, P., and Obstarczyk A. Influence of material composition on structure, surface properties and biological activity of nanocrystalline coatings based on Cu and Ti. Coatings, 10(4), 343 (2020). https://doi.org/10.3390/coatings10040343.
28. Stranak, V., Wulff, H., Ksirova, P., Zietz, C., Drache, S., Cada, M., et al. Ionized vapor deposition of antimicrobial Ti–Cu films with controlled copper release. Thin Solid Films, 550, 389–394 (2014). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.11.001.
29. Karimi, A., and Cattin, C. Intermetallic β-Ti3Au hard thin films prepared by magnetron sputtering. Thin Solid Films, 646, 1–11 (2018). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.11.027.
30. Yeskermessov, D., Toleukhanova, Z., Aringozhina, Z., Tabiyeva, Y., & Ahmed, W. Hard and Superhard Multicomponent Nitride Coatings Deposited Using Vacuum-Arc Evaporation: The Effects of Cr and Si on the Structure and Properties of the Nanostructured (Zr-Ti-Nb)N Coatings. In Innovations in Materials Chemistry, Physics, and Engineering Research (pp. 136–196). IGI Global (2023). https://doi.org/10.4018/978-1-66846830-2.ch004.
31. Yeskermessov, D., Rakhadilov, B., Zhurerova, L., Apsezhanova, A., Aringozhina, Z., Booth, M., & Tabiyeva, Y. Surface modification of coatings based on Ni-Cr-Al by pulsed plasma treatment. AIMS Materials Science, 10(5), (2023). https://doi.org/10.3934/matersci.2023042.
32. Rakhadilov, B., Bayatanova, L., Kengesbekov, A., Magazov, N., Toleukhanova, Z., & Yeskermessov, D. Study of the Influence of Air Plasma Spraying Parameters on the Structure, Corrosion Resistance, and Tribological Characteristics of Fe–Al–Cr Intermetallic Coatings. Coatings, 15(7), 790. (2025). https://doi.org/10.3390/coatings15070790.
Рецензия
Дәйектеу үшін:
Ескермесов Д.К., Лукос С.С., Биркетт М., Пазылбек С.А., Ескермесова А.С., Төлеуханова Ж.Т. ФИЗИКА-МЕХАНИКАЛЫҚ СИПАТТАМАЛАРЫ ЖАҚСАРТЫЛҒАН БИОМЕДИЦИНАЛЫҚ ҚОЛДАНУҒА АРНАЛҒАН ТИТАН-АЛТЫН (TI-AU) НЕГІЗІНДЕГІ ЖҰҚА ЖАБЫНДАРДЫ АЛУ ЖӘНЕ ЗЕРТТЕУ. Қазақстан-Британ техникалық университетінің хабаршысы. 2025;22(4):374-385. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-4-374-385
For citation:
Yeskermessov D.K., Lukose C.C., Birkett M., Pazylbek S.A., Yeskermessova A.S., Toleukhanova Zh.T. SYNTHESIS AND INVESTIGATION OF TITANIUM-GOLD (TI-AU) BASED THIN COATINGS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS WITH ENHANCED PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES. Herald of the Kazakh-British Technical University. 2025;22(4):374-385. (In Kazakh) https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-4-374-385
JATS XML






