Влияние электролитно-плазменной обработки на структуру и свойства поверхностного слоя коррозионностойких сталей медицинского назначения

В работе представлены результаты исследования влияния параметров электролитно-плазменной обработки (ЭПО) на структуру и свойства поверхностного слоя аустенитных коррозионностойких сталей AISI 304, AISI 316L и AISI 321, широко применяемых при производстве изделий медицинского назначения. В результате ЭПО на поверхности образцов из стали AISI 304 выделяются неоднородности в виде включений карбида хрома, размеры и количество которых уменьшаются с увеличением продолжительности обработки и практически не проявляются после 10 мин. Для сталей AISI 321 и AISI 316L ЭПО приводит преимущественно к сглаживанию поверхности за счет удаления микронеровностей без существенных изменений структуры. При этом на стали AISI 321 сохраняются мелкие равномерно распределенные частицы карбида титана размером до 4 мкм. Установленные особенности формирования структуры поверхности существенно влияют на шероховатость: ее наиболее интенсивное изменение наблюдается при продолжительности ЭПО 3–5 мин, после чего динамика снижается. Из-за наличия рельефа из карбидных включений значения шероховатости образцов из стали AISI 304 выше, чем образцов из сталей AISI 316 и AISI 321. При напряжениях 260–320 В параметры шероховатости остаются стабильными, однако при 340 В наблюдается ухудшение качества поверхности вследствие перехода в электролитно-разрядный режим. С увеличением продолжительности ЭПО потенциал коррозии всех исследованных коррозионностойких сталей смещается в положительную область, а плотность тока коррозии уменьшается в 6–7 раз. При этом наибольшие улучшения наблюдаются для стали AISI 316L – потенциал коррозии повышается с ~184 до ~98 мВ. Краевой угол смачивания после 1–3 мин обработки резко возрастает с ~58° до ~84°, после чего стабилизируется в диапазоне 85–88°, что указывает на повышение гидрофобности поверхности.

1. Sojitra P., Engineer Ch., Raval A., Kothwala D., Jariwala A., Kotadia H., Adeshara S., Mehta G. (2009) Surface Enhancement and Characterization of L-605 Cobalt Alloy Cardiovascular Stent by Novel Electrochemical Treatment. Artificial Organs, 23 (2), 55–64.

2. Rozhnova O. M., Pavlov V. V., Sadovoy M. A. (2015) Biological Compatibility of Metal-Based Medical Devices and Causes of Pathological Reactivity (Review). Bulletin of Siberian Medicine, 14 (4), 110–118. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2015-4-110-118 (in Russian).

3. Zhang W., Li Z., Xu C., Chai M., Dong P. (2023) Surface Characteristics of NiTi Cardiovascular stents by Selective Laser Melting and Electrochemical Polishing. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 130 (1–2), 623–634. https://doi.org/10.1007/s00170-023-12734-x.

4. Burstein G., Vines S. (2001) Repetitive Nucleation of Corrosion Pits on Stainless Steel and the Effects of Surface Roughness. Journal of The Electrochemical Society, 148 (12), 504–516. https://doi.org/10.1149/1.1416503.

5. Lee S. M., Lee W. G., Kim Y. H., Jang H. (2012) Surface Roughness and Corrosion Resistance of 21Cr Ferritic Stainless Steel. Corrosion Science, 63, 404–409. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2012.06.031.

6. Zelenina T. G., Fedchishin O. V., Trofimov V. V., Mansurova L. A., Smolyanko L. E. (2009) Investigation of biocompatible properties of implant materials. Siberian Medical Journal (Irkutsk), 90 (7), 93–94 (in Russian).

7. Dibra A., Kastrati A., Mehilli J., Pache J., von Oepen R., Dirschinger J., Schömig A. (2005) Influence of Stent Surface Topography on Outcomes After Coronary Stenting. Catheterization and Cardiovascular Interventions, 65 (3), 374–380. https://doi.org/10.1002/ccd.20400.

8. De Scheerder I., Wang K., Sohier J., Verbeken E., Zhou X. R., Frooyen L., Van Humbeeck J., Van de Werf F. (1998) Metallic Surface Treatment by Electrochemical Polishing Reduces Thrombogenicity and Neointimal Hyperplasia After Stent Implantation. Journal of the American College of Cardiology, 31 (S1), 277. https://doi.org/10.1016/S0735-1097(98)81848-2.

9. Tepe G., Wendel H. P., Khorchidi S., Schmehl J., Wiskirchen J., Pusich B., Claussen C. D., Duda S. H. (2002) Thrombogenicity of Various Endovascular Stent Types: an in Vitro Evaluation. Journal of Vascular and Interventional Radiology, 13 (10), 1029–1035. https://doi.org/10.1016/s1051-0443(07)61868-5.

10. Bandyopadhyay A., Mitra I., Goodman S. B., Kumar M., Bose S. (2023) Improving Biocompatibility for Next Generation of Metallic Implants. Progress in Materials Science, 133, 101053. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101053.

11. Amirtharaj Mosas K. K., Chandrasekar A. R., Dasan A., Pakseresht A., Galusek D. (2022) Recent Advancements in Materials and Coatings for Biomedical Implants. Gels, 8 (5), 323. https://doi.org/10.3390/gels8050323.

12. Duan X., Yang Y., Zhang T., Zhu B., Wei G., Li H. (2024) Research Progress of Metal Biomaterials for Cardiovascular Stents and Surface Treatment Methods. Heliyon, 10 (4), e25515. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e25515.

13. Zaman H. A., Sharif S., Idris M. H., Kamarudin A. (2015) Metallic Biomaterials for Medical Implant Applications: a Review. Applied Mechanics and Materials, 735, 19–25. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.735.19.

14. Korolyov A., Bubulis A., Vėžys J., et al. (2021). Electrolytic Plasma Polishing of NiTi Alloy. Mathematical Models in Engineering, 7 (4), 70–80. https://doi.org/10.21595/mme.2021.22351.

15. Lisovskaya Yu. O., Alekseev Yu. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S., Fomikhina I. V. (1998) Study of the Structure, Surface Morphology, Roughness Parameters and Corrosion Resistance of the Surface Layer of Stainless Steel During Electrolytic-Plasma Treatment. Svarka i rodstvennye tekhnologii: Resp. mezhvedomstv. sb. nauch. tr [Welding and related technologies: Republican interdepartmental collection of scientific papers]. Minsk, Iss. 9, 63–69 (in Russian).

16. Ji G., Ma L., Zhang S., Zhang J., Wu L. (2025) Study of Electrochemical Behavior and a Material Removal Mechanism During Electrolytic Plasma Polishing of 316L Stainless Steel. Materials, 18 (6), 1307. https://doi.org/10.3390/ma18061307

17. Zatkalíková V., Podhorský Š., Štrbák M., Liptáková T., Markovičová L., Kuchariková L. (2022) Plasma Electrolytic Polishing—An Ecological Way for Increased Corrosion Resistance in Austenitic Stainless Steels. Materials, 15 (12), 4223. https://doi.org/10.3390/ma15124223

18. Korolyov A. Yu., Tomilo V. A. (2024). Electrolytic Plasma Polishing of Metallic Materials for Medical Purposes. Aktual'nye problemy prochnosti: materialy LXVIII mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii: Vitebsk, 27–31 maya 2024 g. [Current Strength Issues: Proceedings of the LXVIII International Scientific Conference: Vitebsk, May 27-31, 2024]. Minsk, 2024, 328–330 (in Russian).

19. Zeidler H., Boettger-Hiller F., Edelmann J., Schubert A. (2016) Surface Machining of Medical Parts Using Plasma Electrolytic Polishing. Procedia CIRP, 49, 83–87. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.07.038.

20. Kulikov I. S., Vashchenko S. V., Kamenev A. Ya. (2010) Electrolytic-Plasma Processing of Materials. Minsk, Belaruskaya Navuka Publ. 232 (in Russian).

21. Smyslov A. M., Smyslova M. K., Mingazhev A. Dz., Selivanov K. S. (2009) Multistage Elektrolitplasma Processing of Products From the Titan and Titanic Alloys. Vestnik USATU, 13 (1), 141–145 (in Russian).

22. Navickaitė K., Ianniciello L., Tušek J., Engelbrecht K., Bahl C. R. H., Penzel M., Nestler K., Böttger-Hiller F., Zeidler H. (2021) Plasma Electrolytic Polishing of Nitinol: Functional Properties. Materials, 14 (21), 6450. https://doi.org/10.3390/ma14216450.

23. Alekseev Yu. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S. (2019) Electrolytic-Plasma Polishing of Biomedical Co–Cr alloys. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 64 (3), 296–303. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3-296-303 (in Russian).

24. Aliakseyeu Y., Bubulis A., Minchenya V., Korolyov A., Niss V., Kandrotaitė Janutienė R. (2021) Plasma Electrolyte Polishing of Ti and Nb Alloys. Mechanika, 27 (1), 88–93. https://doi.org/10.5755/j02.mech.25044.

25. Sinkevich Yu. V., Sheleg V. K., Yankovsky I. N., Belyaev G. Ya. (2014) Electropulse Polishing of Fe-Cr-Ni Alloys. Minsk, BNTU. 325 (in Russian).

26. Dhaiveegan P., Elangovan N., Nishimura T., Rajendran N. (2016) Corrosion Behavior of 316L and 304 Steels in Multiple Environments. RSC Advances, 6 (53), 47314–47324. https://doi.org/10.1039/C6RA04015B.

27. Osipovich K., Kalashnikov K., Vorontsov A. (2019) Alloying Effect of Ti-6Al-4V on 321 Steel Processed by EBAM. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 537 (2), 022075. https://doi.org/10.1088/1757-899X/537/2/022075.

28. Rybalko K. V., Beketayeva L. A., Davydov A. D. (2014) Estimation of corrosion Current by the Analysis of Polarization Curves: Electrochemical Kinetics Mode. Russian Journal of Electrochemistry, 50 (2), 108–113. https://doi.org/10.1134/s1023193514020025.

29. Rashid M. W. A., Gakim M., Rosli Z. M., Azam M. A. (2012) Formation of Cr23C6 during sensitization of AISI 304 steel. International Journal of Electrochemical Science, 7 (10), 9465–9477. https://doi.org/10.1016/s1452-3981(23)16211-0.

30. White G. K., Woods S. B. (eds.). (1982) Landolt-Börnstein: Metals – Electronic Transport Phenomena. New York, Springer. 337 p.

31. Padilha A. F., Rios P. R. (2002) Decomposition of Austenite in Stainless Steels. ISIJ International, 42 (4), 325–337. https://doi.org/10.2355/isijinternational.42.325.

32. Cramer S. D., Covino B. S. (eds.). (2003) Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection. ASM Handbook. Vol. 13A. ASM International. 1118 https://doi.org/10.31399/asm.hb.v13a.9781627081825.