Способ получения наноструктурированного технически чистого титана для биомедицины

Изобретение относится к области получения наноструктурированных материалов путем обработки потоком порошковых частиц с использованием энергии взрыва, высокие физико-механические и химические свойства которых позволяют использовать для целей медицины, в том числе имплантатов. Способ получения наноструктурированного технически чистого титана для биомедицины включает обработку заготовки во взрывном ускорителе высокоскоростным потоком порошковых частиц Ti в режиме сверхглубокого проникновения частиц. При этом частицы Ti размещают под взрывчатым веществом с воздушным зазором. Разгон частиц осуществляют ударной волной в ориентирующем канале ускорителя, стыкующемся с обрабатываемой заготовкой. Обработку ведут потоком частиц дисперсностью 10 мкм со скоростью потока 1,5-2,5 км/с, плотностью 1 г/см³, при давлении соударения частиц с материалом заготовки 12-15 ГПа и времени их взаимодействия 5-7·10^-5 с. Повышается прочность и однородность структуры титановой заготовки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области получения наноструктурированных матепиппоо. путем обработки потоком порошковых частиц с использованием энергии взрыва, высокие физико-механические и химические свойства которых позволяют использовать для целей медицины, в том числе имплантатов.

Аналогом является изобретение наноструктурного технически чистого титана для биомедицины [RU №2383654 C1, C22F 1/18 В82В 3/00 2008141956/02, 22.10.2008]. Данное изобретение реализуется путем обработки прутка технически чистого титана методом равноканального углового прессования (РКУП) при температуре не выше 450°C за 4 прохода для достижения истинной накопленной деформации е≤4 в штамповой оснастке с углом пересекающихся каналов, равным 90°. В результате данной обработки получена суб-зеренная структура с размером зерна в диапазоне 0.5…0.7 мкм.

После РКУП заготовки подвергают термомеханической обработке, в процессе которой осуществляют пластическую деформацию при постепенном снижении температуры в интервале 450-350°C с общей накопленной деформацией от 40 до 80%, при этом скорость деформации варьируется в интервале 10^-2-10^-4 с^-1.

Таким образом, в результате комбинированной обработки в технически чистом титане формируется нанокристаллическая структура, в которой до 90% составляют зерна со средним размером 100-500 нм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Предел прочности полученного титана составляет σ_B=1330 МПа, относительное удлинение 12%, относительное сужение 50%.

Данный метод имеет некоторые недостатки, касающиеся технологии получения материала. 1. Трудоемкость получения материала, так как технология включает 4 прохода РКУП, затем специальную термомеханическую обработку, 2. Дополнительный нагрев материала. 3. Сложная технологическая оснастка.

Прототипом является способ упрочнения металлов путем обработки потоком порошковых частиц в режиме сверхглубокого проникания частиц СГПч [Ушеренко С.М Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных материалов, - Минск: НИИ импульсных процессов. - 1998. - с.30-31]. Данный метод основан на использовании взрывного ускорителя, который представляет собой кумулятивный заряд взрывчатого вещества, в выемке которого размещен порошок. Инициирование взрывного ускорителя формирует поток порошковых частиц и ориентирует его путем фокусирования кумулятивной струи, направляемой на образец металла или сплава.

Особенности функционирования взрывного ускорителя:

1. Метание частиц осуществляется кумулятивным зарядом с кумулятивной облицовкой, причем метаемый порошок, расположен в кумулятивной выемке.

2. Поток частиц формируется за счет фокусирования кумулятивной струи.

3. Обработка матрицы производится частицами из отличных от материала матрицы элементов.

Конструкция взрывного ускорителя, в котором порошок расположен внутри полусферической кумулятивной выемки заряда взрывчатого вещества, не обеспечивает необходимой однородности струи частиц. Регулирование однородности струи обеспечивается за счет повышения градиентов скоростей, квазистабильности процесса и обработки материала за несколько проходов.

Реализация режимов обработки материалов (давление соударения частиц 10-15 ГПа, дисперсность частиц 10-100 мкм, плотность потока около 1 г/см³, скорость метаемых частиц 1-3 км/с) обеспечивает объемное насыщение металлов и сплавов элементами порошковых частиц на глубины, превышающие более, чем на 2 порядка размер порошковых частиц. Проникающие частицы формируют в материале каналы размером около 1 мкм и наноструктурируют материал. Минимальный размер остатка частицы ~50 нм. Упрочняющее действие дает аморфизация микрообластей (размером от 10 нм и более) вблизи стенок каналов проникающих частиц, а также сильнодеформированная и фрагментированная зона вокруг каналов с развитой дислокационной структурой. Свойства материалов в значительной мере изменяются в зависимости от вида порошковых частиц. Так, при обработке диборидом титана стали 10 твердость с исходной HV140 возрастает до HV 240. Прочность возрастает до 930 МПа, что в 1.4 раза выше исходной. Эксплуатационная стойкость упрочненных инструментальных сталей в условиях ударно-вибрационных нагрузках повышается в 1.3-1.65 раза.

Предлагаемый способ получения наноструктурированного технически чистого титана для биомедицины обеспечивает следующий технический результат: повышение прочности и однородности структуры материала.

Технический результат достигается путем обработки заготовки во взрывном ускорителе высокоскоростным потоком порошковых частиц Ti в режиме сверхглубокого проникновения частиц, при этом частицы Ti размещают под взрывчатым веществом с воздушным зазором, разгон частиц осуществляют ударной волной в ориентирующем канале ускорителя, стыкующемся с обрабатываемой заготовкой, при этом обработку ведут потоком частиц дисперсностью 10 мкм со скоростью потока 1.5-2.5 км/с, плотностью 1 г/см³, давлении соударения частиц с материалом заготовки 12-15 ГПа и времени их взаимодействия (5-7)·10^-5 с.

Схема устройства обработки материалов показана на рис.1. Данное устройство включает электродетонатор (1) для инициирования заряда взрывчатого вещества (2) в оболочке (3). Под зарядом взрывчатого вещества через воздушный зазор (4) размещена капсула с порошковым материалом (5). Формирование потока и его ориентация осуществляется в ориентирующем канале (6), который своим основанием стыкуется с обрабатываемым образцом исходного материала (7).

Основные отличия функционирования предлагаемой установки от прототипа:

1. Разгон частиц осуществляется за счет инициирования цилиндрического заряда без кумулятивной облицовки. Воздушный зазор, предусмотренный в конструкции непосредственно за нижним срезом заряда, способствует формированию прямоугольного фронта ударной волны. Метаемый порошок расположен в соответствии с формируемым фронтом ударной волны - параллельно нижнему срезу заряда. В целях получения технически чистого титана для биомедицины кумулятивная облицовка прототипа не пригодна, так как вносит в упрочняемый материал элементы облицовки. Взрывчатое вещество, используемое для заряда в предлагаемом способе, относиться к группе полного газообразования.

2. Формирование высокоскоростного потока порошковых частиц реализуется в ориентирующем канале.

3. Производится обработка матрицы из титана ВТ 1-0 порошковыми титановыми частицами.

4. Отличия по 1, 2 и 3 пункту от прототипа обеспечивают более равномерную обработку заготовки.

Данная схема позволяет обеспечить необходимые режимы обработки титана. При скорости частиц 1.5-2.5 км/с и плотности потока частиц Ti порядка 1 г/см³, давление соударения частиц составляет около 12-15 ГПа. Время взаимодействия частиц с материалом (5-7) 10^-5 с.При соударении частиц с ВТ1-0 температура достигает 250°C.

Для получения наноструктурированного технически чистого титана применялись исходные образцы ВТ1-0 диаметром 20 мм и высотой 15 мм. Дисперсность метаемых частиц титана составляет 10 мкм.

В результате получена наноструктурированная мелкодисперсная структура титана марки ВТ1-0, размер зерна около микрометра. Обработка материалов в режиме СГПч предполагает, что материал наряду с измельчением зерна, армируется микроканалами проникающих частиц, стенки которых аморфизированы и являются как бы заваренными, что дополнительно наноструктурирует материал и оказывает упрочняющее действие [Krivchenko A.L., Aleksentseva S.E. Peculiarities of the Dynamic Interaction Between the Directed Stream of High Speed Particles and Metals. // Shock Waves in Condensed Matter: Proc. of Int. Conf. - St. Petersburg, Russia, 8-13 October, 2000, p.175-176.].

Каналы проникающих частиц в поперечнике составляют менее 1 мкм. На стенках каналов остаются следы проникающих частиц, а в зоне торможения фиксируются остатки проникших частиц размером до 0.05 мкм. Концентрация насыщения материала каналами определена при обработке высокоскоростными частицами титана ВТ 1-0 с помощью травления среза матрицы и достигает 27.5%. Плотность каналов может достигать 300 мм^-2.

Предлагаемый метод, за счет отличий в конструкции представленного устройства от взрывного ускорителя прототипа, обеспечивает более однородное взаимодействие потока частиц с исходным образцом материала, обеспечивает получение высокой прочности и износостойкости материала. Так, прочность повышается в 1.5 раза. Пластичность незначительно изменяется, относительное удлинение 15%. Плотность дислокации достигает порядка ~10¹¹ см^-2. Микротвердость Нµ увеличилась с исходной 1900 МПа до 2600 МПа после обработки потоком порошковых частиц.

Наноструктурирование матрицы за счет обработки высокоскоростным потоком порошковых частиц титана возможно обеспечить для любых марок технического титана: ВТ 1-0, ВТ 1-00 до чистейшего иодидного титана, а также ряда марок, используемых непосредственно в медицине Grade 1 - Grade 4. С целью упрочнения была использована марка титана с относительно низкими прочностными характеристиками, как ВТ 1-0.

Предлагаемая обработка технически чистого титана потоком частиц Ti (пара Ti → Ti) обеспечивает получение наноструктурированного технически чистого титана и возможность применения для целей биомедицины. Технически чистый титан является одним из наиболее приемлемых материалов для изготовления имплантатов, который хорошо сращивается с живыми тканями и в настоящее время используется для длительного нахождения в организме человека. Время применения подобных имплантатов зависит от прочности и долговечности материала. Поэтому повышение механических свойств титана без введения дополнительных легирующих элементов, например ванадия, хрома в сплавах Ti5Al12.5Sn, Ti5Al13V11Cr [D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen, "Titanium in medicine". Springer (2001), p.1019], которые снижают биосовместимость и способствуют накоплению токсичных элементов, является целью предлагаемого способа.

Способ получения наноструктурированного технически чистого титана для биомедицины, включающий обработку заготовки во взрывном ускорителе высокоскоростным потоком порошковых частиц Ti в режиме сверхглубокого проникновения частиц, при этом частицы Ti размещают под взрывчатым веществом с воздушным зазором, разгон частиц осуществляют ударной волной в ориентирующем канале ускорителя, стыкующемся с обрабатываемой заготовкой, при этом обработку ведут потоком частиц дисперсностью 10 мкм со скоростью потока 1,5-2,5 км/с, плотностью 1 г/см³, при давлении соударения частиц с материалом заготовки 12-15 ГПа и времени их взаимодействия 5-7·10^-5 с.