Структурообразование и формирование свойств в титановых прутках, полученных комбинированной ИПД-технологией

Актуальность темы

Титан и его сплавы в медицине известны достаточно давно. Преимущества в снижении сроков выздоровления, реабилитации и' повышения комфорта пациентов делает титан идеальным материалом для создания медицинских заменителей костей. За последнее время интерес к данной области использования титана значительно возрос [1−5]. В то же время сфера их использования накладывает определенные требования к механическим характеристикам. В частности, для имплантатов, используемых в стоматологии, необходима высокая статическая прочность, в то время как для имплантатов, используемых в травматологии, гораздо важнее усталостные характеристики. Внутренняя фиксация переломов и деформаций костей является одной из важнейших областей применения хирургических имплантатов. При этом основным видом фиксации металлического имплантата к кости является крепление специальными винтами, от конструкции и свойств которых в большой мере зависит успех имплантации. Наиболее сложными, с точки зрения методики лечения и применяемых имплантатов, являются специальные конструкции для восстановления и фиксации позвоночника. В процессе эксплуатации они должны выдерживать значительные напряжения, прежде всего связанные с циклическими (динамическими) нагрузками. Они устанавливаются в организме человека на длительные сроки (год и более), следовательно, требования к их усталостной прочности в тканевой среде чрезвычайно высоки, т.к. высокие усталостные нагрузки приводят к образованию трещин и, как следствие, к неоднократному хирургическому вмешательству. Поэтому из-за всё более возрастающих требований к качеству подобных изделий возрастают и требования, предъявляемые к материалу, из которого их изготавливают. В этой связи, титановые материалы помимо хорошей биосовместимости должны обладать и высокими механическими и усталостными свойствами, определяющими долговечность изделия и, соответственно, срок службы. Кроме того, имплантаты, используемые в травматологии, должны обладать высокой удельной прочностью, позволяющей снизить вес конструкции.

Наиболее подходящим материалом для использования в травматологии является чистый титан ввиду его хорошей биосовместимости, но он уступает титановым сплавам по прочности. Существуют традиционные методы повышения прочности титана и титановых сплавов, которым посвящено множество научных работ. В их числе можно указать легирование, упрочняющая термическая и термомеханическая обработки [6, 7]. Однако эти методы имеют свои недостатки: введение дополнительных легирующих добавок ограничивает использование титана в медицине в связи с вредным воздействием многих химических элементов на человеческие ткани. Упрочнение методами термической обработки, как правило, применяется для титановых сплавов. Традиционные методы термомеханической обработки, такие как прокатка, протяжка, ковка и др. могут существенно повлиять на структуру и механические свойства материала, приводя к повышению прочностных характеристик. Но при этом снижается пластичность, которая является одной из фундаментальных характеристик, необходимых для разработки новых конструкционных материалов [8].

Новым перспективным способом улучшения физико-механических свойств металлов и сплавов является создание в них ультрамелкозернистых (УМЗ) и наноструктур (НС) методами интенсивной пластической деформации (ИПД), которые включают в себя наложение больших деформаций в условиях высоких приложенных давлений [9]. Микроструктуры традиционно классифицируются исследователями в зависимости от средних размеров зерен, при этом, как правило, структуры с размерами зерен менее 1 мкм называются ультрамелкозернистыми (УМЗ), а с размерами менее ОД мкм — нанокристаллическими [10]. Одним из методов ИПД, широко применяемых для получения массивных заготовок с УМЗ и НС размером зерен является равноканальное угловое прессование (РКУП). Данный метод, реализующий деформацию массивных образцов простым сдвигом, был разработан в 70−80-х годах прошлого столетия В. М. Сегалом с сотрудниками [11] и впервые использован и развит для получения УМЗ структур в начале 90-х годов XX в. Р. З. Валиевым с соавторами [12, 13]. Эти эксперименты явились основой по разработке наноструктурных металлов и сплавов, с повышенными свойствами, используя ИПД методы [13−17]. Для титановых материалов особый интерес имеет сочетание РКУП с последующей деформационной обработкой прокаткой, экструзией, волочением. Недавние исследования показали, что применение комбинированных методов обработки, включающих РКУ прессование и дополнительные термомеханические обработки (ТМО), позволяет не только существенно повысить свойства титана за счет дополнительного измельчения структуры и накопления дефектов кристаллической решетки, но и получить полуфабрикаты заданных размеров* [18−23]. В тоже время применение этих методов для изготовления полуфабрикатов и изделий из наноструктурных титановых материалов требует определения конкретных режимов из обработки (температуры, скорости и степени деформирования), а также установления взаимосвязи междуструктурой и уровнем свойств.

Известно также, что в сложных конструкциях, применяемых в травматологии, в частности, при сборке металлических конструкций для восстановления позвоночника используется крепеж с метрической резьбой порядка М4. М8. Как правило, это разнообразные винты и шпильки. Для их изготовления обычно используются прутки-полуфабрикаты длиной до 3−4 м, которые обрабатывают на специальных токарных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) [24]. Для получения таких длинномерных прутков с УМЗ структурой необходим также поиск специальных подходов для обеспечения в них однородности формирующейся структуры и высоких механических свойств. Одним из таких подходов является разработанная в ИФПМ УГАТУ совместно с ГУЛ ИНТЦ «Искра» (Уфа) комбинированная ИПД-технология, сочетающая РКУП с последующей кузнечной протяжкой и волочением. На первой стадии технологического процесса происходит формирование УМЗ структуры методом РКУП. Последующие деформационно-термические обработки (ДТО) методами кузнечной протяжки и волочения наряду с формообразованием (удлинением) прутка способствуют дополнительному упрочнению, что позволяет достичь рекордных значений прочности для титановых прутков.

В этой связи, основной целью настоящей работы явилось установление закономерностей формирования ультрамелкозернистой структуры в титане методами РКУП и дополнительной деформационно-термической обработки для повышения его механических и усталостных свойств, и совершенствование на этой основе технологии получения длинномерных прутков-полуфабрикатов для медицинских применений.

Как отмечалось выше, наиболее перспективным металлическим материалом для применения в медицине является технически чистый титан ввиду его высокой биосовместимости. Исходя из этого, для получения длинномерных титановых прутков с повышенными механическими свойствами был использован технически чистый титан марки Grade 4. В качестве дополнительного, модельного материала для отработки режимов комбинированной технологии был выбран технически чистый титан марки Grade 2, который ранее уже подвергали подобной обработке [18−20].

Научная новизна.

1. Установлено, что формирование в длинномерном прутке однородной УМЗ структуры с размером зерен 100−200 нм в процессе комбинированной ИПД-технологии, включающей РКУП и ДТО, обеспечивает достижение очень высокой прочности (ав=1150МПа и ав==1240МПа) при сохранении значительной пластичности (относительное удлинение 11% и 12% для титана Grade 2 и Grade 4 соответственно).

2. Показано, что рост зерен в УМЗ титановых прутках происходит при температуре отжига выше 450−500°С. При этом отжиг при более низких температурах 300−350°С способствует совершенствованию структуры, в частности, повышению объемной доли зерен с болыиеугловыми границами, что обеспечивает дополнительное повышение прочности и пластичности и, как результат, приводит к достижению очень высокой усталостной прочности (предел выносливости гладких образцов до 610 МПа на базе испытаний 107 циклов).

3. Впервые экспериментально продемонстрированы преимущества УМЗ титана Grade 4 по биосовместимости перед обычным КЗ титаном и титановым сплавом ВТ6, что свидетельствует о перспективности использования УМЗ титана для изготовления медицинских имплантатов.

Практическая значимость.

1. Экспериментально определены режимы комбинированной ИПД-обработки (температура и степень деформации), включающей РКУП и последующие кузнечную протяжку и волочение, позволяющие получать длинномерные прутки с однородной УМЗ структурой из титана Grade 2 и Grade 4 с прочностными и усталостными свойствами в 1,5.2 раза, превышающими свойства титана, полученного традиционными методами. Способ термомеханической обработки титановых заготовок защищен патентом РФ № 2 285 737, от 20.10.2006, Бюл. № 29.

2. Предложены рекомендации по термической обработке длинномерных УМЗ титановых прутков для обеспечения высоких усталостных свойств.

3. Рассмотрены преимущества УМЗ титана, полученного комбинированной ИПД-технологией, в качестве материала для изготовления медицинских имплантатов.

Данная работа выполнялась в рамках следующих проектов: Работа выполнялась в рамках проекта международного научно-технического центра #2398 «Получение наноструктурных сплавов Ti-6A1−4V и TiNi с эффектом памяти формы для медицинского применения» (2002;2005г.г.) — гранта для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Министерства образования науки РФ АОЗ-З.17−15 «Исследование влияния интенсивной пластической деформации на структуру и свойства чистого титана» (2004;2005 г. г.) — проекта МНТЦ #3208р «Развитие новых методов интенсивной пластической деформации для практического использования объемных наноструктурных материалов», 2005;2007 гггосударственный контракт № 02.438.11.7052 на выполнение научно-исследовательских работ «Современные технологии получения и обработки объемных наноструктурных материалов» в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002;2006 годы.

Результаты проделанных исследований позволили сформулировать ряд основных положений, выносимых на защиту:

1. Режимы комбинированной ИПД-обработки, включающей РКУП, кузнечную протяжку и волочение, позволяющие получать длинномерные прутки из УМЗ титана Grade 2 и Grade 4 с уникальными прочностными и усталостными свойствами.

2. Результаты исследования эволюции структуры титана Grade 2 и Grade 4 в процессе комбинированной ИПД-обработки, ее особенности в зависимости от режимов деформации и данные о термической стабильности УМЗ титана при последующем нагреве.

3. Зависимость механических свойств и усталостного поведения образцов из УМЗ титана от режимов комбинированной ИПД-обработки и дополнительного отжига, демонстрирующие возможность получения высокопрочного состояния в титане.

4. Результаты оценки биологической совместимости УМЗ титана Grade 4, показавшие его более высокие показатели по сравнению с крупнозернистым титаном, что, наряду с высокими механическими и усталостными свойствами, открывает широкие перспективы его использования в медицине, в частности, в травматологии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VIII международной конференции «Высокие давления — 2004. Фундаментальные и прикладные аспекты» (г. Донецк, Украина, сентябрь, 2004 г.) — на международной конференции «Наноструктурные материалы полученные интенсивной пластической деформацией, научная серия НАТО» (г. Донецк, Украина, сентябрь, 2004 г.) — на VIII международной конференции ESAFORM (г. Клуж-Напока, Румыния, апрель, 2005 г.) — на X международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов-2005» «Нанотехнология и физика функциональных нанокристаллических материалов» (г. Екатеринбург, апрель, 2005 г.) — на III международной конференции «Наноматериалы полученные интенсивной пластической деформацией» (г. Фукуока, Япония, сентябрь, 2005 г.) — на IV международной конференции «Ультрамелкозернистые материалы» (г. Сан Антонио, США, март, 2006 г.) — на IX международной конференции «Высокие давления — 2006. Фундаментальные и прикладные аспекты» (г. Судак, Украина, сентябрь, 2006 г.) — на международном симпозиуме «Объемные наноструктурные материалы» (г. Уфа, август, 2007 г.) .

Структура и объем диссертации

Содержание диссертационной работы изложено в 5 главах на 149 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 18 таблиц и список из 135 цитируемых источников.

Работа выполнена при научной и методической консультации к. т. н., доцента И. П. Семеновой и к. т. н. Латыша В.В.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1) Установлено, что формирование УМЗ структуры в титане Grade 2 происходит при РКУП со степенью деформации е ~ 4, а в титане Grade 4 — со степенью деформации е ~ 8. Сформированная в заготовке УМЗ структура с размером зерен/субзерен 0,3−0,4 мкм преимущественно равноосной морфологии и наличием болыпеугловых границ обеспечивает в титане Grade 4 достижение высокой прочности — 930 МПа и сохранение повышенной пластичности (относительное удлинение 26%).

2) Показано, что сочетание РКУП и последующей кузнечной протяжки и волочения позволяет не только получать длинномерные прутки, но и способствует дальнейшему измельчению микроструктуры и повышению механических свойств УМЗ титана.

3) Установлено, что в результате комбинированной ИПД-обработки в прутках были достигнуты очень высокие прочностные свойства, более чем в 2 раза превышающие исходное состояние: ав=1150МПа, а0,2=1 ЮОМПа, 8=11% -для титана Grade 2 и ов=1240МПа, а0,2=1170МПа и 8=12% - для титана Grade 4.

4) Обнаружено, что сформированная в длинномерных прутках из титана Grade 4 УМЗ структура и прочностные свойства термически стабильны до температуры 400 °C. Повышение температуры до 450 °C и выше приводит к росту зерен за счет рекристаллизации структуры титана со значительным снижением его прочности.

5) Экспериментально установлено, что отжиг при температуре 350 °C в течение 6 часов приводит к увеличению пластических характеристик УМЗ титана без снижения прочности, и, как следствие, к повышению предела выносливости гладких образцов до 610 МПа на базе испытаний 107 циклов.

6) Показано, что полученные длинномерные УМЗ прутки из титана Grade 4 демонстрируют высокую однородность механических свойств по длине и удовлетворяют требованиям российского стандарта ГОСТ 26 495–85, регламентирующего качество титановых прутков.

7) По результатам оценки биологический совместимости установлено, что УМЗ титан имеет лучшие показатели биосовместимости по сравнению с КЗ титаном и титановым сплавом ВТ-6. Показана перспективность применения УМЗ титана в качестве материала для изготовления облегченной конструкции имплантата для коррекции и последующей фиксации позвоночника, обладающего меньшим весом и более высоким уровнем механических и усталостных свойств.