Получение и исследование свойств сверхупругих сплавов Ti-Nb-Ta, Ti-Nb-Zr медицинского назначения

• Автор: Жукова, Юлия Сергеевна
• Шифр специальности: 05.16.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 167 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Биоматериалы
1.2 Металловедение титановых сплавов
1.3 Эффект памяти формы и сверхупругости
1.4 Термомеханическая обработка сплавов с памятью формы на основе титана
1.5 Биосовмесгимые титановые сплавы с эффектом памяти формы и сверхупругости
1.6 Выплавка титановых сплавов
1.7 Коррозионная стойкость титановых сплавов
1.8 Постановка цели и задач исследования
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Выплавка слитков ТМЧЬ-Та и Т1-1ЧЬ-7г
2.2 Изучение структуры и функциональных свойств сплавов П-ИЬ-Та и 'П-ЫЬ-Аг
2.3 Изучение биохимической совместимости сплавов ТМЧЬ-Та и ТьМЬХг
3 ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ ТШЬ-Та И ТГМЬ-7г БОЛЬШОГО РАЗВЕСА
3.1 Обобщение и оценка результатов выплавки пробных малых слитков ТМЧЬ-Та
3.2 Оценка температуры плавления сплавов 'П-ЫЬ-Та и ТПЧЬ-гг
3.3 Получение слитка ТПЧЬ-Та методом ВДП с расходуемым электродом
3.4 Получение слитка ТПЧЬ-Та методом ВДП с расходуемым электродом с использованием лигатуры
3.5 Получение слитка ТПЧЬ^г методом ВДП с расходуемым электродом
4 СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В СПЛАВАХ ТГМЬ-Та И 'П-МЬ-7л И ИХ СВЕРХУПРУГОЕ ПОВЕДЕНИЕ
4.1 Оценка кристаллографического ресурса деформации при обратимом мартенситном превращении в сплавах ТЫЧЬ-Та и ТПЧЬ^г
4.2 Рентгенографическое исследование
4.3 Электронномикроскопическое исследование структуры, субструктуры и фазового состава сплавов Ть1ЧЬ-Та, ТГ1ч[Ь-2г
4.4 Механическое поведение сплавов ТПЧЬ-Та и Т1-1ЧЬ-7г
5 ИССЛЕДОВАНИЕ БИОХИМИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СПЛАВОВ ТЫЧЬ-Та И ТГ ]ЧЬ-/.г

5.1 Исследование химического состава оксидной пленки методом электронной оже-спектроскопии
5.2 Исследование элементного ионного состава оксидной пленки методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии
5.3 Кинетические закономерности, механизм формирования наноразмерных пассивных пленок в модельных физиологических средах
5.4 Механоциклические испытания сплавов Ti-Nb-Ta и Ti-Nb-Zr в модельных растворах
5.5 Определение выхода металлических ионов из сплавов Ti-Nb-Ta, Ti-Nb-Zr, Ti и Ti-Ni в
модельный биологический раствор
5.6 Медико-биологические испытания сплавов Ti-Nb-Ta и Ti-Nb-Zr in vitro.
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Сплавы на основе титана нашли широкое применение в качестве материалов для медицины благодаря уникальному сочетанию свойств: высокой прочности, малой плотности, высокой коррозионной стойкости, хорошей биосовместимости. Одна из важнейших областей использования титановый сплавов - имплантология, в том числе ортопедическая, челюстно-лицевая, дентальная.
Материал для костных имплантов должен отвечать требованиям биомеханической и биологической совместимости с костной тканью. Это означает, что он должен быть схож с ней по механическим свойствам (обладать схожим модулем Юнга 10-40 ГПа и проявлять эффект сверхупругости не менее 2%), содержать только безопасные компоненты, разрешенные к медицинскому применению, и обладать высокой коррозионной стойкостью в средах организма.
Один из самых распространенных материалов для изготовления имплантов - чистый титан. Этот материал обладает рядом достоинств: хорошие механические свойства; малый удельный вес; высокая биосовместимость за счет образования на поверхности прочной защитной биоинертной пленки из диоксида титана. В то же время по своим механическим свойствам гитан плохо совместим с костью, в частности, имеет более высокий модуль Юнга (105 ГПа). Это приводит к тому, что в процессе эксплуатации в системе «кость - имплант» большая часть нагрузки приходится на имплант, в результате чего костная ткань не подвергается воздействию механических напряжений необходимой величины, что приводит к постепенной резорбции кости и ослаблению фиксации импланта.
Перспективным материалом для имплантов является никелид титана (нитинол, Т1-№). Он обладает эффектами памяти формы и сверхупругости, что существенно повышает его биомеханическую совместимость, однако он содержит канцерогенный никель, ионы которого могут попасть в организм при повреждении защитной оксидной пленки. Также существенно, что нитинол является химическим соединением; это влечет за собой резкую зависимость его свойств от состава, который, как правило, не может быть гарантирован точнее 0,2%. Ввиду этих факторов нитинол получил ограниченное распространения в имплантологии. В настоящее время ведутся работы в области создания «безникелевых» титановых сплавов с памятью формы (СПФ), проявляющих сверхупругое поведение, что и определяет актуальность настоящей работы. В частности, к этой группе относятся СПФ систем П-ИЬ-Та и ТПЧЬ^г, в которых при изменении температуры или внешней нагрузки протекает обратимое термоупругое мартенситное превращение (3 (ОЦК) <-> а" (орторомбическая решетка).

увеличении времени старения. Идеальное сверхупругое поведение было получено при деформации до 3% за счет отпуска при 600°С с последующим старением при 300°С в течение 1 ч в сплаве П-26МЬ.
В работе [58] изучено влияние циклической деформации (сжатие, нагружение-разгружение до 2,5 %, до 500 циклов) на сверхупругое поведение сплава Т1-261ЧЬ (ат. %) . Показано, что фазовый предел текучести и сверхупругая деформация уменьшались, в то время как накопленная остаточная деформация и стаблильность сверхупругости увеличивались по ходу циклирования, что связано в основном со стабилизацией мартенситной фазы.
В ряде работ изучена тонкая структура двойных сплавов Ть1ЧЬ, в частности, структура границы между кристаллитами мартенсита а"/а" и границы между мартенситом и Р-фазой [59], а также морфология мартенсита при самоаккомодации [60].
В последнее время большое внимание уделяется изучению влияния атомов внедрения, в частности, кислорода, на свойства двойных сплавов Т1-1ЧЬ (например, [61, 62]).
1.5.2 Сплавы ТТМЬ-Та и Т1-МЬ-7г
В работе [63] исследовано влияние добавки тантала на механические и сверхупругие свойства сплава Ть221ЧЬ (ат. доля, %).
Образцы сплавов 'П-22ЫЬ-(0 - 8)Та были подвергнуты холодной прокатке со степенью деформации 95 % по толщине, отжигу при 900 °С в течение 30 мин и закалке в воду.
По результатам работы были сделаны следующие выводы.
1 В сплаве Тп22МЬ (ат. доля, %) был обнаружена структура двойникованного мартенсита с двойниковыми плоскостями {111}а- [| {110}р. В сплаве П-22ТтЬ-4Та (ат. доля, %) была обнаружена мелкодисперсная (3 нм) атермическая оо-фаза; размер ее частиц и их объемная доля уменьшались при увеличении содержания Та.
2 Понижение температуры начала мартенситиого превращения (М5) при добавлении Та: 30 К на атомную долю тантала 1 %. При увеличении содержания Та до 4 % кажущийся предел текучести уменьшался, при дальнейшем добавлении Та - увеличивался, тогда как физический предел текучести увеличивался при увеличении содержания Та.
3 В сплавах Тн22ЫЬ-(0 - 4)Та (ат. доля, %) наблюдался ЭПФ. При увеличении содержания Та увеличивалась величина сверхупругой деформации. В сплавах ТТ22№>-(6 -8)Та (ат. доля, %), отожженных при 900 “С в течение 30 мин, наблюдалось почти идеальное псеводоупругое поведение вплоть до деформации 2 %.
4 В отожженном сплаве Ть2214Ь (ат. доля, %) при комнатной температуре наблюдалась