Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0013

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0013
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Разработка технологии получения наноструктурированного материала на основе титана с регламентированной пористостью для био- и механически совместимых остеоинтегрирующих медицинских имплантатов.
Докладчик
Коллеров Михаил Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является изучение возможности получения волоконных пористых материалов на основе титана для производства остеоинтегрирующих имплантатов и покрытий.
Задачи исследования включают:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния режимов высокоскоростной закалки расплава на геометрические параметры, структуру и свойства волокон технически чистого титана.
2. Изучение влияния режимов прессования и диффузионной сварки на структуру и свойства заготовок волоконного пористого материала.
3. Определение влияния термоводородной обработки на структуру и свойства прутковых и листовых образцов волоконного пористого материала.
4. Исследование технологической схемы и режимов обработки на структуру и свойства покрытий из пористого материала на монолитной основе из титанового сплава ВТ6.
5. Разработка научных основ технологии получения остеоинтегрирующих материала и покрытий для медицинских изделий различного назначения.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследований обусловлена необходимостью разработки технологии изготовления остеоинтегрирующих материалов, обладающих высокой объемной пористостью (более 50%), регламентированным размером пор (от 50 до 500 мкм), высоким комплексом механических характеристик на сжатие, растяжение, срез из биологически инертного материала с минимальным риском выкрашивания отдельных частиц, опасным развитием металлоза и повреждения элементов трения имплантатов. В первые для получения такого остеоинтегрирующего материала и покрытий использованы диффузионная сварка и термоводородная обработка волокон технически чистого титана, обеспечивающие выполнение необходимых требований.
Описание исследования

Исследование проводили на волокнах технически чистого титана (сплав ВТ1-0) длиной 100-150 мм и поперечным размером от 20 до 60 мкм, полученных высокоскоростным затвердеванием расплава по методу висящей капли. Методами математического моделирования в пакете программ Ansys изучали влияние поперечного размера волокон на геометрические характеристики пористого материала и механическое взаимодействие волокон в процессе прессования. Теоретические выводы подтверждали экспериментами по прессованию заготовок материала и микроструктурными исследованиями его пористости. Волокна прессовали и диффузионно сваривали при температурах 800-1000ºС для получения цилиндрических и плоских заготовок с пористостью от 50 до 85%, а также покрытий на монолитных образцах из листа сплава ВТ6. Термоводородную обработку заготовок, включающую наводороживание термодиффузионным метолом в установке Сивертса и вакуумный отжиг, проводили при концентрациях водорода 0,4-0,8% по массе при температурах от 600 до 800ºС и временах от 2 до 6 часов. В процессе наводороживания монолитных и пористых образцов исследовали кинетику поглощения водорода.

На образцах исследовалась структура материала металлографическим и рентгеноструктурным методами, определялись механические характеристики при растяжении, сжатии, изгибе и срезе покрытия. Температурные границы режимов обработки материалов определяли методами высокотемпературной рентгенографии и дифференциально сканирующей калориметрии.

Результаты исследования

В результате исследований впервые установлены закономерности кинетики насыщения водородом высокопористого материала на основе титана. Показана роль объемной пористости, размера пор и характеристического размера исходного материала (диаметр проволоки, волокна) на скорость наводороживания. Установлено, что разность скоростей поглощения водорода монолитного и пористого материала может различаться в несколько раз, что приводит к различию в содержании водорода в монолитной основе и пористом покрытии в два раза и соответствующих изменениях структуры и свойств.

Исследовано влияние водорода на фазовый состав, структуру и свойства технического титана. Методами высокотемпературной рентгенографии определены температурно-концентрационные условия протекания фазовых превращений, их объемные эффекты. Установлено, что максимальный межфазовый наклеп наблюдается в процессе альфа ⇔ бета превращения при температурах 400-650ºС. При этих условиях в процессе термоводородной обработки должно происходить наиболее полное преобразование структуры, обеспечивающее изменение характера контакта волокон материала с механического на физико-химический.

Определены технологические схемы и режимы обработки пруткового, листового высокопористого материала, а также его покрытия на монолитной основе. Показано, что использование термоводородной обработки заготовок материала позволяет обеспечить его высокую прочность при сохранении достаточной пластичности.

Разработана технология обработки пористого покрытия, включающая наводороживание и вакуумный отжиг в едином цикле, позволяющая избежать поводки монолитной основы и отслоения пористого покрытия при обеспечении высокой адгезионной прочности и сохранении механических свойств монолитной основы.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость работы заключается в разработке научно-обоснованных принципов построения технологических схем получения высокопористых остеоинтегрирующих материалов и покрытий для изготовления имплататов для замещения костных дефектов (тела позвонков, аугументы для костной пластики бедренной кости и др.) и фиксирующих покрытий на элементах эндопротезов крупных суставов. Высокопористые волоконные материалы из технического титана обеспечат прорастание остеобластов в имплантаты и покрытие для снижения времени формирования костного блока и фиксации эндопротезов при снижении риска металлоза.
Предложенные технологические схемы могут быть использованы для получения пористого материала не медицинского назначения, например, фильтрующих элементов для химической и нефтегазовой промышленности.