Формирование наноструктур методами термомеханической обработки и повышение функциональных свойств сплавов Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta с памятью формы

• Автор: Дубинский, Сергей Михайлович
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Аналитический обзор литературы по теме диссертации

1.1 Общие требования к металлическим материалам для медицинских имплантов

1.1.1 Биосовместимость

1.1.2 Биомеханическая совместимость

1.1.3 Прочие требования

1.2 Типы металлических материалов для медицинских имплантов

1.2.1 Коррозионностойкие стали

1.2.2 Кобальт и сплавы на основе системы Со-Сг

1.2.3 Технически чистый тантал

1.2.4 Технически чистый цирконий
1.2.5 Титан и титановые сплавы
1.3 Титановые сплавы с памятью формы
1.3.1 Фазовые превращения в титановых сплавах с памятью формы
1.3.2 Влияние содержания никеля и ниобия на функциональные свойства СПФ на основе титана
1.3.3 Термическая и термомеханическая обработка СПФ на основе титана
1.4 Цели и задачи работы
2 Материалы и методики исследования
2.1 Описание материалов
2.2 Термическая и термомехаиическая обработка
2.3 Методики исследования
3 Структурообразование в СПФ ТнМЬ^г, Ц-ЫЬ-Та при термомеханической обработке
3.1 Предварительные исследования
3.2 Электронномикроскопический анализ
4 Исследование механического и термомеханического поведения СПФ Т1-ЫЬ-2г, ТКЫЬ-Та
4.1 Предварительные исследования

4.2 Результаты функциональных усталостных испытаний
4.3 Термомеханические функциональные испытания
5. Влияние дополнительного старения на фазовый состав, структуру и свойства СПФ Ti-Nb-Zr. Ti-Nb-Ta
6. Низкотемпературное рентгенографическое исследование in situ превращений под нагрузкой в СПФ Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta
6.1 Испытательный модуль для низкотемпературной рентгеновской приставки
6.2 Превращения в СПФ Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta в цикле охлаждения-нагрева в отсутствии и в присутствии нагрузки
Выводы
Список использованных источников

Введение
Активное развитие медицинской имплантологии требует создания новых материалов для имплантов, которые повысят их приживаемость и надежность. Металлы широко используются в качестве материалов для ортопедических имплантов (замена коленных, локтевых, тазобедренных и прочих суставов), стоматологических протезов, черепно-лицевых протезов, сердечнососудистых имплантов. Однако в силу специальных требований к материалам для медицинских изделий, таких как биохимическая и биомеханическая совместимость с тканями и жидкостями человеческого тела, и условиям их стерилизации только ограниченный круг металлических материалов может быть использован для создания медицинских имплантов. Для ортопедических и стоматологических имплантов крайне важно сочетание механических характеристик импланта и костной ткани. Так модуль Юнга должен быть близок к модулю костной ткани, величина которого составляет 1-11 ГПа для губчатой ткани, 7 - 30 ГПа для плотной, а предел текучести материала импланта должен превышать предел текучести костной ткани (30 - 70 МПа), в сочетании с достаточным запасом пластичности. Несовпадение этих параметров может привести к разрушению импланта или его потере.
К наиболее перспективным металлическим материалам для медицинских имплантов относятся сплавы с памятью формы (СПФ) на основе системы Ть1ч1Ь, в частности, П-ЫЬ-7г и 'П-ЫЬ-Та. Эти сплавы, как и другие СПФ, благодаря реализации в них обратимого термоупругого мартенситного превращения проявляют в определенных термомеханических условиях эффект сверхупругости (псевдоупругости), что, в сочетании с соответствующим «размягчением» решетки, приближает их механическое поведение к поведению костной ткани. Преимущество сплавов Т1-ЫЬ-2г и ТЗ-ЛЬ-Та состоит в том, что в их состав входят только биосовместимые компоненты, в отличие от традиционных СПФ на основе Т1-№, которые имеют более высокие функциональные свойства, но содержат токсичный никель.
Для описания свойств СПФ используют функциональные характеристики, основными из которых служат величина обратимой деформации, реактивное напряжение, генерируемое в условиях восстановления формы при внешнем противодействии, степень восстановления формы, температурные интервалы прямого и обратного мартенситного превращения. Все функциональные свойства СПФ - структурно-чувствительные. В свою очередь для целенаправленного формирования структуры сплава наиболее эффективна

проводиться в температурном интервале, где присутствует мартенсит, или мартенсит может образовываться и деформироваться в ходе проведения термомеханической обработки [31, 101, 102].
Низкотемпературная термомеханическая обработка способна улучшить и стабилизировать свойства сплавов с памятью формы, такие как реактивное напряжение и ресурс обратимой деформация, через создание определенной дислокационной субструктуры и зеренной структуры [31].
Низкотемпературная термомеханическая обработка СПФ на основе 77-М
Пластическая деформация по средствам холодной прокатки с накопленной истинной логарифмической деформацией е=0,3 - 2 наиболее часто применяется для сплавов с памятью формы на основе Т|-№, потому как более низкая деформация не способна привести к существенным структурным изменениям [103, 104], а более высокая степень деформации при холодной прокатке способна привести к разрушению образца [31]. Далее рассмотрим влияние крайних степеней деформации на структуру и свойства сплава: умеренной (е~0,3) и интенсивной (е--2) деформаций.
Умеренная пластическая деформация (е—0,3) приводит к формированию хорошо развитой дислокационной субструктуры в мартенсите (см. Рисунок 19а).
Последеформационный отжиг холоднодеформированного материала приводит к протеканию обратного мартенситного превращения и разупрочнению материала. При повышении температуры отжига протекают статическое восстановление и полигонизация (формирование границ субзерен) (см. Рисунок 19б-д) [105-107]. С дальнейшим повышением температуры отжига протекают процессы рекристаллизации и
последующего роста зерен. Рост субзерен наблюдается в интервале температур 200 -400°С. Так после 300°С в сплаве присутствует полигонизованная наносубзеренная субструктура, а после 400°С размер субзерен составляет уже 300 - 500 нм [105].
После интенсивной пластической деформации, формируется смешенная
нанокристаллическая и аморфная структуры; размер зерен составляет 2 - 8 нм (см. Рисунок 20а) [105, 108]. Отжиг при 300°С формирует наноструктуру с размером зерен 5 -20 нм (см. Рисунок 206) [105]. Последующее увеличение температуры приводит к росту зерна (см. Рисунок 20в, г). Так после отжига при 700 °С уже невозможно заметить какую либо разницу, обусловленную величиной исходной деформации [31, 105].