Диссертация (Термоводородная обработка пористого материла из диффузионно сваренных волокон титана)

-2-ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Введение ……………………………………………………………………………..4Глава 1. Состояние вопроса ……………………………………..………………71.1.Материалы, применяемые в медицине……………….………...71.1.1.Основные характеристики материалов, используемых длямедицинских целей……………………………………………………... 71.1.2. Керамика……………………………………………………….....101.1.3. Полимеры……………………………………………………..….. 111.1.4. Композитные материалы……………………………………..….131.1.5. Металлы ………………………………………..............................

151.2. Металлическиематериалы,применяемыедляизготовленияимплантатов……………………………………………………………..161.3. Медико-технические требования к пористым материалам и методыполучения пористых материалов……………………………………… 211.3.1. Медико-технические требования к пористым материалам…… 211.3.2 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез…….231.3.3 Спекание…………………………………………………………... 251.3.4 Вакуумное (плазменное) напыление…………………………….291.3.5 Технологии быстрого прототипирования…..…………………... 341.3.6 Диффузионная сварка…………………………………………….391.4.

Термоводородная обработка титановых сплавов…………………….. 411.4.1. Описание системы титан–водород …………………………..…411.4.2. Кинетика взаимодействия титана и его сплавов с водородом... 441.4.3. Наводороживание и вакуумный отжиг титановых сплавов…... 491.4.4. Влияние водорода на структуру и свойства титановыхсплавов…………………………………………………………………... 541.4.5. Фазовые превращения в наводороженных титановых сплавахпри термическом воздействии…………………………………………591.4.6. Термоводородная обработка – основа водородной технологиититановых сплавов……………………………………………………… 62Заключение.

Формулировка цели и постановка задач исследования68-3-Глава 2. Объекты и методы исследования ……………………………………... 712.1. Объекты исследования ………………………………………………… 712.2. Методы исследования …………………………………………………. 73Глава 3. Исследование влияния условий наводороживания на кинетикупоглощения водорода и структуру монолитного и пористогоматериала из сплава ВТ1-0..………………………….………………... 883.1.

Исследование кинетики наводороживания монолитного ипористого материала из сплава ВТ1-0………………………………… 893.2. Влияние условий наводороживания на структуру монолитныхобразцов из сплава ВТ1-0…..…………………………………………..3.3. Влияние режимов наводороживания на структуру образцов ПОМ100112Выводы по главе 3 …………………………………………………….122Глава 4. Исследование влияния режимов диффузионной сварки и ТВО наструктуру и механические характеристики ПОМ……………………4.1. Влияниережимовдиффузионнойсваркинаструктуру123имеханические характеристики ПОМ………………………………….. 1234.2. Исследование влияния режимов ТВО на структуру и механическиехарактеристики ПОМ…………………………………………………...

141Выводы по главе 4 ……..………………………………………………. 160Глава 5. Исследование влияния режимов диффузионной сварки и ТВО наструктуру и механические характеристики пористого покрытия намонолитной основе из сплава ВТ6…………………………………….1625.1 Влияние режимов диффузионной сварки на структуру и свойствамодельных образцов с ПОМ покрытием……………………………… 1625.2. Влияние термоводородной обработки на характеристики ПОМпокрытий………………………………………………………………...5.3. Оптимизацияобработкипористого173остеоинтегрирующегопокрытия на основе из сплава ВТ6……………………………………. 182Выводы по главе 5 ……………………………………………………...

185Выводы по работе .......................................................................................................187Список литературы ..................................................................................................... 189Приложение …………………………………………………………………………. 197-4-ВВЕДЕНИЕПористые материалы (ПМ) используются в различных областяхнародного хозяйства. Из них изготовляют тепло- и шумопоглощающиеустройства, конструкции с малым удельным весом и т.п. В некоторыхотраслях промышленности требуется не только определенная объемная доляпор, но и конкретные их размеры. Это, в первую очередь, относится кфильтрующимэлементам,которыеиспользуютсявнефтегазовыхпредприятиях и химической промышленности.

В данном случае пористостьдолжна быть не только открытой, но и сквозной с определенным среднимразмером и минимальным отклонением от него. К пористым материалам,используемымвмедициневкачествеимплантируемогоматериала,предъявляются специфические требования. К таким требованиям относятсябиологическая инертность материала и отсутствие токсичных ионов и другихвеществ, образующихся в результате взаимодействия ПМ с биологическимисредами. Это значительно ограничивает спектр материалов, из которыхможно формировать ПМ.Кроме того, технология изготовления пористого материала не должнавносить загрязнения посторонним веществом, биологическая инертностькоторого не изучена.

Поэтому выбор материала и технологии изготовленияПМ для имплантатов является сложной научной задачей, имеющей важноепрактическое и социальное значение.СозданиеПМдлямедициныможетиметьэкономическуюэффективность в том случае, если разработанный материал можетиспользоваться для решения различных задач. К таким задачам можноотнести проблемы замещения костных дефектов опорно-двигательногоаппарата человека и повышения фиксирующих свойств монолитныхимплантатовпутемразностороннеесозданияиспользованиенаихПМповерхностивмедицинеслояПМ.Этоподразумевает-5-необходимость получения материала в виде различных полуфабрикатов:прутков для замещения дефектов трубчатых костей, тел позвонков и т.п.,листов, которые предназначены для укрепления плоских костей черепа, тазаи т.п., а также основы для создания покрытий поверхности имплантатов,замещающих крупные суставы (тазобедренный, коленный, плечевой и т.п.)Научная новизна:1.Установленызакономерностивлиянияобъемнойпористостиихарактеристического размера элементов материала на кинетику насыщенияводородом титановых сплавов.

Показано, что после наводороживаниямонолитного материала с пористым покрытием до средней концентрациисвыше 0,6%1, содержание водорода в последнем может превышать в два разаего концентрацию в основе, что приводит к образованию в его структуревторичных гидридов и хрупкому разрушению.2.Показано, что при введении до 0,6 и 0,8% водорода при температуре650°С и ниже в сплавы ВТ1-0 и ВТ6, соответственно, в их структуресохраняется первичная α-фаза, препятствующая интенсивному росту β-зерна,что обеспечивает после вакуумного отжига формирование дисперсной αфазы с преимущественно пластинчатой морфологией и высокий комплексмеханических свойств сплавов.3.Установлено,чтофазоваяперекристаллизация,протекающаявпроцессе введения и удаления водорода в пористый материал из волоконтехнического титана, способствует преобразованию механических контактовволокон между собой и с поверхностью монолитного материала вфизические, что обеспечивает повышение прочности их соединения.4.Обнаружено, что при ТВО монолитных образцов из сплава ВТ6 спористым покрытием из сплава ВТ1-0 происходит их коробление послевведения водорода, которое сохраняется и при последующем вакуумномотжиге и приводит к частичному отслоению покрытия от основы.

Причиной1Здесь и далее концентрация водорода приведена в массовых процентах-6-этого являются различия в скорости поглощения водорода монолитным ипористымматериаламииразвитиеβ→αиβ→α+δпревращений,сопровождающихся значительным объемным эффектом.Практическая значимость:1.Показанавозможностьполучениявысокопористогоостеоинтегрирующего материала из волокон титана и покрытий из негомонолитных имплантатов с уровнем прочности, достаточным для егоиспользования в имплантируемых медицинских изделиях различногоназначения.2.Разработаны рекомендации по технологии получения пруткового илистового ПОМ из волокон сплава ВТ1-0 (температура диффузионной сварки850-900°С, наводороживание до 0,8% при температуре 650°С, вакуумныйотжиг 650-800°С), обеспечивающие высокий комплекс их механическиххарактеристик. Рекомендации были опробованы при разработке макетовновых медицинских изделий (протезов тел позвонков) ЗАО «КИМПФ».3.Разработаны рекомендации по технологии получения пористогопокрытия на монолитных имплантатах из сплава ВТ6 (температурадиффузионной сварки 900-950°С, наводороживание до 0,6%-0,8% и перваястадия удаления водорода при температуре 650°С, вакуумный отжиг 650850°С),позволяющейобеспечитьвысокуюадгезионнуюпрочностьсоединения покрытия и основы при сохранении комплекса характеристикработоспособности монолитного имплантата.

Рекомендации опробованы приразработке макетов новых медицинских изделий (вертлужный компонентэндопротеза тазобедренного сустава) ЗАО «Имплант МТ».-7-Глава 1СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА1.1 Материалы, применяемые в медицине1.1.1 Основные характеристики материалов, используемых длямедицинских целейСпектр материалов, используемых в медицине, весьма широк и включает всебя материалы природного и искусственного происхождения, среди которых –металлы, керамики, синтетические и естественные полимеры, различныекомпозиты и др. Материалы, предназначенные для контакта со средой живогоорганизма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств,получили название «биоматериалы».

Несмотря на значительные успехи,достигнутые в биоматериаловедении к настоящему моменту, такие материалы всееще остродефицитны, и пока еще не удалось создать субстанции, полностьюсовместимые с живым организмом.Одним из требований, предъявляемых к материалам медицинскогоназначения, является биологическая совместимость с живым организмом. Этоматериалы, которые при вживлении в организм и пребывая в нем длительноевремя, не вызывают негативных реакций.Биоматериалы,используемыевкачествеимплантатов,должныудовлетворять следующим требованиям:1) по химическим свойствам: отсутствие нежелательных химических реакций стканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии;2)помеханическимхарактеристикам:прочность,трещиностойкость,сопротивление замедленному разрушению (усталостному), износостойкость;-8-3) по биологическим свойствам: отсутствие иммунологической реакцииотторжения, нетоксичность, неонкогенность.Материал, который используется в медицине для имплантатов, должен обладатьпоистине уникальным набором свойств, к которым относится следующее:–биологическаяинертность(отсутствиетоксичности,аллергенности,травмирующего и раздражающего действия на окружающие ткани);– механическая прочность, рассчитанная на длительный срок работы в организме,устойчивость к износу;– гемосовместимость (материал не должен вызывать повреждения элементовкрови и образования тромбов);– устойчивость к агентам внутренней среды организма, к воздействиюбиологических жидкостей;– устойчивость к высокотемпературной стерилизации.По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют натоксичные (если окружающие ткани отмирают при контакте), биоинертные(нетоксичные,нобиологическинеактивные),биоактивные(нетоксичные,биологически активные, срастающиеся с костной тканью) [1].Дадим характеристику биоинертности и биоактивности.