Сплав на основі титану

Реферат: Сплав на основі титану, що включає ніобій, цирконій. Він додатково містить кремній та мідь. UA 71340 U (54) СПЛАВ НА ОСНОВІ ТИТАНУ UA 71340 U UA 71340 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області кольорової металургії, а саме до одержання конструкційних сплавів на основі титану, які можуть бути використані як в двигунобудуванні, так і в різних галузях медицини, зокрема для виготовлення операційного медінструменту та імплантантів в ортопедичних конструкціях і дентальному протезуванні. Застосування титанових сплавів для вказаних цілей є можливим завдяки таким їх властивостям, як мала питома вага, низька теплопровідність, висока міцність, висока корозійна стійкість у багатьох агресивних середовищах, біологічна індиферентність, немагнітність, нетоксичність, відносна дешевизна та доступність. Такі сплави можна віднести до класу нових біосумісних матеріалів, тобто матеріалів, які застосовуються в медицині для підтримки життєдіяльності і нормального функціонування організму. На теперішній час більшість композицій на основі титану, які використовуються як в ортопедичній медицині, так і в дентальному протезуванні - це сплави, легуючий комплекс яких забезпечує утворення твердих розчинів на основі титану. Однак такі сплави мають недостатньо високу корозійну стійкість в слабких лужних розчинах, низьку стійкість проти гідроабразивного зношення та недостатньо стабільну біологічну сумісність з живою тканиною при багаторічному контакті. Усунення цих недоліків можливо досягнути коригуванням хімічного складу сплаву та термомеханічною обробкою. Від вибору легуючого комплексу залежить об'ємна частка - і βфаз в сплавах на основі титану, утворення інтерметалідних фаз, що позначається на рівні властивостей матеріалу. Легування титану елементами, які сприятимуть утворенню евтектичної або евтектоїдної структурної складової та не погіршать біохімічні властивості, зокрема біосумісність з живою тканиною, дозволить підвищити властивості матеріалу в порівнянні з твердорозчинними титановими сплавами, які використовуються достатньо широко в протезуванні. При наявності в структурі евтектоїду утворюється комірчастий рельєф поверхні сплаву, при цьому розмір комірки приблизно відповідає величині біологічної клітини. Це суттєво впливає на прискорення процесу остеоінтеграції. (М.А. Baker, S.L. Asiss, J.Z. Higa, I. Costa. Nanocomposite hydroxyapatite formation on a Ti-13Nb-13Zr alloy exposed in a MEM cell culture medium and the effect of H 2O2 addition. Acta Biomaterialia 5, 2009: p. 73) Відомий сплав ВТ6 (Ti-6A1-4,5V), який широко використовується як в Україні, так і за кордоном (зарубіжний аналог Grade 5 - міжнародний стандарт ІСО 5832/3-78 і американський ASTM136-84) для виготовлення біоімплантантів. Однак, дослідження показали, що наявність іонів алюмінію і особливо ванадію може викликати довготривалі проблеми зі здоров'ям, які часто супроводжуються запаленнями та відторгненням (LaingP.G., Ferguson A.B., Hodge E.S. Tissue reaction in rabbit muscle exposed to metallic implants. J. Biomed. Mater. Res. 1967;1(1): p.148-149; Hallab N.J., Vermes C, Messina C, Roebuck K.A., Giant T.T., Jacobs J.J. Concentration and.composition-dependent effects of metal ions on human MG-63 osteoblasts. J. Biomed. Mater. Res. 2002; 60(3): p.432-433). Це показала і клінічна практика, яка свідчить про значний процент (до 20 %) запалення ясен та кісткових тканин після вживляння імплантантів зі сплаву Ti-6A1-4,5V. Відомо, що за токсичністю, від меншої до більшої, іони металів упорядковуються в такій послідовності: Сr < Мо < Аl < Co < Ni < Fe < V (Hallab N.J., Vermes С, Messina С, Roebuck K.A., Giant T.T., Jacobs J.J. Concentration and composition-dependent effects of metal ions on human MG-63 osteoblasts. J. Biomed. Mater. Res. 2002; 60(3): p. 420). Незважаючи на те, що сам алюміній є малотоксичним, окремі його сполуки здатні викликати фібрози, анемію, порушення нервової функції, розвинення слабоумства (Okazaki Y, Gotoh E. Comparison of metal release from various metallic biomaterials in vitro. Biomaterials 2005; 26 (1): p. 12). Ванадій розглядається як основний елемент, який викликає токсичність надмірного рівня (Browne Μ., Gregson P.J. Surface modification of titanium alloy implants. Biomaterials 1994;15(11): p.894-895). Враховуючи токсичність ванадію, що входить у вище приведений сплав, останніми роками почали використовувати сплав з ніобієм Ti-6Al-7Nb (Protasul-100; Allvac®6-7 UNS R56700; ASTMF1295; ISO 5832-11; TIMET TIMETAL® 367), який визнаний вітчизняними імплантологами одним з кращих. Цей сплав має такі механічні властивості: модуль пружності Е 0=105 GPa; межа текучості σ0,2=800 МПа, межа міцності σΒ = 900 МПа; відносне подовження  = 10 %, твердість HRC 30-34. Недоліками цього сплаву є підвищений модуль пружності, а також схильність до поглинання водню, кисню, азоту та вуглецю. Забруднення сплаву такими шкідливими домішками спричиняє погіршення пластичності, що несприятливо впливає на чутливість до надрізу та на характеристики технологічної пластичності. Все це погіршує механічну обробку сплаву та ускладнює виготовлення протезів з нього. 1 UA 71340 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Дослідження останніх років показали, що такі легуючі елементи як Nb, Zr, Та, Pt і Ті не викликають несприятливої реакції тканини (GeethaM., Singh A.K., Muraleedharan К., Gogia A.K., Asokamanir. Effect of thermomechanical processing on microstructure of Ti-13Nb-13Zr alloy. Journal of Alloys Compounds. 2001;329: p. 264-265). Особливим інтересом з боку дослідників і вчених останніми роками користуються титанові сплави з такими легуючими добавками як Zr і Nb. Відомий сплав Ti-8Nb-13Zr (S. Schneider, S.G. Schneider, H.M. da Silva, С. Neto. Study of the non-linear stress-strain behavior in Ti-Nb-Zr alloys. Materials Research, (2005). v.8. № 4, p. 436), який має такі механічні властивості: модуль пружності – Е0=88,8 GPa; σ0,01=285 МПа; σ0,2=551 МПа; σΒ = 763 МПа; =15 %. Недоліком цього сплаву є низький рівень міцності. Найбільш близьким до заявленої корисної моделі складом того ж призначення по сукупності ознак, що взятий за прототип (S. Schneider, S.G. Schneider, H.M. da Silva, С Neto. Study of the non-linear stress-strain behavior in Ti-Nb-Zr alloys. Materials Research, (2005). v.8. № 4, p. 436-437) є склад сплаву Ti-13Nb-13Zr. Недоліком даного сплаву є низька твердість та міцність і недостатньо надійна біосумісність при багаторічній експозиції, на що вказують випадки раптового запалення біологічної тканини в контакті з імплантантом з цього сплаву, а також не завжди високі корозійні властивості (Wear and corrosion behaviour of Ti-13Nb-13Zr and Ti-6A1-4V alloys in simulated physiological solution I. Cvijovic-Alagic, Z. Cvijovic, S. Mitrovic, V. Panic and M. Corrosion Science, vol.53, Issue 2, February 2011, p. 802-805). Крім цього, сплав-прототип як усі сплави з широким міжкритичним інтервалом кристалізації, має недостатньо хорошу рідкоплинність та спроможність заповнювати дрібний рельєф ливарної форми. Ці недоліки відсутні у сплавах евтектичного типу, до якого належить сплав, що заявляється. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення твердості та міцності сплаву, що буде сприяти покращенню зносостійкості імплантатів з цього сплаву та відсутності деформування під час їх використання. Технічний результат полягає в виборі легуючого комплексу, який забезпечує поряд з твердорозчинним механізмом дію евтектичного механізму зміцнення за участю керамічної фази - силіциду титану, а також одержання оптимального співвідношення - і β-фаз в сплаві та утворення інтерметалідних фаз. Поставлена задача вирішується тим, що сплав на основі титану, що містить ніобій і цирконій, і відповідно до корисної моделі додатково містить кремній та мідь при наступному співвідношенню компонентів, мас. %: ніобій 12,0-19,0 цирконій 11,0-15,0 кремній 0,8-5,0 мідь 0,1-5,5 титан решта. Ніобій є ізоморфним β- стабілізатором, який розширює β- область діаграми та знижує температуру поліморфного перетворення β в титанових сплавах; цирконій належить до нейтральних зміцнювачів, який практично не впливає на температуру поліморфного перетворення (Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. - Μ.: Металлургия, 1974. - С.30-32). При легуванні титану Nb i Zr утворюються безперервні тверді розчини на основі βТі та тверді розчини з обмеженою розчинністю на основі Ті. Введення в потрійний сплав Ti-Nb-Zr кремнію та міді спричиняє евтектичне (LTi+(Ti, Zr)5Si3) та евтектоїдні (βТіТі+(Ti, Zr)5Si3) і (βТіТі +Ті2Сu) перетворення в залежності від вмісту цих легуючих елементів. Властивості сплаву значною мірою залежать від ступеня його гетерогенності, зокрема від кількісного співвідношення - і β- фаз в структурі сплаву. Змінюючи вміст ніобію та цирконію можна одержувати в структурі різні об'ємні частки - та β- фаз і регулювати міцність та твердість сплаву. При вмісті ніобію 19 % відбувається суттєве зменшення міцності (табл.1, зразок 3). При вмісті цирконію 1 % виявляється пластифікуюча дія цього легуючого елемента на силіцид титану, в якому він частково заміщує титан, що додатково зменшує твердість (табл.1, зразок 5). Кремній вводиться для підвищення міцності та твердості сплаву та покращення механічної оброблюваності. Зміцнююча дія кремнію обумовлена утворенням евтектики Ti+(Ti, Zr)5Sі3, керамічна фаза якої (комплексний силіцид титану) забезпечує унікальні властивості, непритаманні сплавам, що характеризуються твердорозчинним механізмом зміцнення (Titanium matrix composites. United States Patent 5,366,570. Mazur V.I., Taran Yu.N, Kapustnikova S.V. et al.). При невеликому вмісті кремнію (