Разработка углерод-титановых композиционных материалов для медицинских имплантатов с использованием технологии наплавки

УДК 621.791.927.5

Разработка углерод-титановых композиционных материалов для медицинских имплантатов с использованием технологии наплавки

Н. Н. Струков, А. А. Сметкин

Получены экспериментальные образцы композиционного материала на основе титана иуглекона с использованием технологии наплавки. Показано, что при наплавке титана на углекон формируется промежуточный слой, содержащий твердые растворы углерода в титане и карбиды титана различного типа. Дана оценка структурных параметров на основе электронно-микроскопических исследований. Полученный материал является перспективным в изготовлении медицинских имплантатов.

Ключевые слова: композиционный материал, титан, углекон, наплавка, структура.

Введение

Технология наплавки металлов сыграла большую роль в улучшении качества изделий, повышении производительности труда и пр. Наплавка, как один из способов обработки поверхностей материалов, обладает рядом преимуществ и недостатков [1], однако ее возможности далеко не исчерпаны. Благодаря возможности формирования наплавленного слоя на материалах самого различного состава одним из актуальных направлений на сегодняшний день можно назвать ее применение при разработке композиционных материалов для медицины.

Разработка новых композиционных материалов для имплантационных конструкций на основе углерода с необходимым комплексом функциональных свойств является актуальной задачей [2-5]. В костных имплантатах стабильность определяется главным образом формой и качеством поверхности имплантата. Однако стабильность сильно зависит и от совместимости поверхности имплантата с костными тканями, и, наконец, от эффективного роста и фенотипического созревания остеобластов, формирование минерализованной костной ткани в области «кость—имплантат». Совместимость имплантата для последующей

колонизации костных клеток может быть заметно повышена путем различных модификаций поверхности имплантата, например путем формирования покрытий, удовлетворяющих требованиям совместимости с костными тканями. В эту группу композитных структур входит углерод-титановая система, представляющая интерес в разработке новых конструкций протезов на основе биоинертных материалов [6-8].

Цель настоящей работы заключалась в получении и анализе структуры углерод-титанового композиционного материала с использованием технологии наплавки для повышения эксплуатационных характеристик имплантатов на основе углерод-углеродного композиционного материал (УУКМ) при соблюдении биологической инертности составляющих композита.

Методики эксперимента и исследований

В качестве основы композита использован углерод-углеродный композиционный материал Углекон-М. Наплавка титанового сплава на поверхность УУКМ производилась аргоно-дуговым способом неплавящимся электродом на прямой полярности с подачей присадочного материала (рис. 1) на установке УПНС-304.

158

№ 3(87)/2015

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

6

Рис. 1. Принципиальная схема аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом:

I — наплавляемое изделие; 2 — электрическая дуга; 3 — вольфрамовый электрод; 4 — защитное сопло; 5 — водяное охлаждение горелки; 6 — подача защитного газа; 7 — газовая защита наплавляемого материала; 8 — присадочный материал; 9 — источник питания постоянного тока; 10 — осциллограф;

II — система охлаждения; 12 — наплавленный материал

В качестве присадочного материала использовались прутковые материалы с диаметром 2 мм, идентичные маркировке ВТ1-00. Наплавка материала осуществлялась на предварительно подготовленную поверхность УУКМ. В качестве защитного газа использовался аргон высокой чистоты.

Процесс получения углерод-титанового композиционного материала для имплантатов состоит из следующих этапов:

1. Технологическая подготовка, включающая подготовку оборудования и материалов. Оборудование должным образом настраивают на рабочий режим и проверяют правильность заданных параметров (ток, вылет и диаметр электрода и т. д.). Подготовка материалов заключается в механической обработке УУКМ и чистке присадочного материала. Наплавляемую поверхность УУКМ подвергают механической обработке. Обработанная поверхность не должна содержать инородных включений, пор, пустот, трещин. Наплавляемый материал в виде проволоки сплава ВТ1-00 подвергают чистке и правке механическим способом. Обработанный УУКМ и присадочный материал сушат в сушильном шкафу в течение 60 мин при 100 °С.

2. Нанесение покрытия. Наплавка титана на УУКМ производится по схеме, указанной на рис. 1. В качестве источника нагрева используется электрическая дуга, горящая

в среде аргона между изделием и неплавящимся вольфрамовым электродом. Применение инертного газа исключает необходимость использования флюса в качестве защиты, поэтому данный способ эффективен при наплавке титана как материала, активного к кислороду и азоту. Присадочный материал ВТ1-00 в виде прутка подают в зону горения дуги, где он плавится и растекается по поверхности угле-кона. Стабильная дуга колоколообразной формы образуется в широком диапазоне силы тока, что обеспечивает спокойное формирование сварочной ванны и ровный слой наплавленного металла. Параметры наплавки: ток дуги 30-180 А, напряжение на дуге 20-60 В, расход защитного газа 4-8 л/мин, значение подачи наплавляемого материала выбирают в зависимости от толщины покрытия. Наплавленный титан имеет припуск на дальнейшую механическую обработку. В зависимости от толщины покрытия наплавка может осуществляться в несколько проходов.

3. Финишная обработка механическим способом. Удаляют излишки материала, выводят рабочую геометрию поверхности изделия, создают необходимую шероховатость (рис. 2).

Структуру материала исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии на автоэмиссионном микроскопе Ultra 55 (Carl Zeiss) при различных увеличениях. Адгезионные характеристики покрытия устанавливали клеевым методом по методике ВИАМ на разрывной машине (Instron) при одноосном растяжении образцов.

Рис. 2. Общий вид имплантата с титановым покрытием

№ 3(87)/2015

59

Результаты и их обсуждение

С помощью электронной микроскопии установлено, что при формировании композиционного материала в процессе наплавки титана на углекон наблюдаются три характерные зоны: основа (углекон), покрытие (титан) и переходная (граничная). Последняя отличается от основы и покрытия по составу и структуре. Излом образца по УУКМ с наплавленным титаном представляет собой титановую матрицу, внутри которой находятся углеродные волокна (рис. 3, а).

УУКМ и титан обладают разными физико-механическими свойствами, поэтому исключительно важную роль в композите играет граничная зона между ними. В большинстве случаев разрушение материалов начинается именно с переходной зоны, а титановая матрица с оптимальным переходным слоем характеризуется свойствами самого металла, без потери прочностных характеристик. Микроструктурные исследования поверхности основного материала — УУКМ — после отслоения от него наплавленного титана показывают, что разрушение происходит преимущественно по карбидосодержащему слою, что свидетельствует о более высоком сцеплении между титаном и слоем с карбидами титана.

Очевидно, что при наплавке в результате взаимодействия титана и УУКМ возможно образование карбидов титана различного стехиометрического состава, обладающих

твердостью и хрупкостью. Взаимодействие можно охарактеризовать через количество теплоты образования карбида. Система Ti-C имеет большую отрицательную теплоту образования, которая обеспечивает твердофазную реакцию на границе или в контакте титана с углеродом. На рис. 3, б отчетливо виден плотный слой углеродсодержащей фазы титана определенной толщины, который плотно прилегает к поверхности основы. В материале кроме соединения TixC^ образуются твердые растворы TiC с элементарным титаном. В первую очередь при науглероживании титана происходит внедрение углерода (в виде TiC) в решетку металла с сохранением его металлических свойств. Содержание углерода линейно увеличивает прочность титанового сплава только в пределах области гомогенности а-фазы.

Оценка ширины переходного слоя и ее влияния на адгезию с углеродным материалом показала, что ширина переходной зоны зависит от ориентировки углеродных волокон относительно покрытия. В случае жгутов углеродных волокон, ориентированных нормально к титановому покрытию, формируется слой с размерами карбидных зерен 70-80 нм (рис. 4). Анализ случайно выбранных участков изломов с карбидным слоем показал, что при толщине углеродсодержащего слоя более 200 нм наблюдается разрушение материала.

Адгезионная прочность наплавленного на углекон титана, определенная клеевым мето-

Рис. 3. СЭМ-изображение излома композиционного материала углекон—титан: а — общий вид излома; б — фрагмент излома с карбидным слоем между титаном и углеродным материалом

Д60

№ 3(87)/2015

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

MHAIN

Рис. 4. Карбидный слой в переходной зоне титан— углекон

дом, находится на уровне 3,5-5,0 МПа, что соответствует прочности углекона в одном из анизотропных направлений укладки волокон.

Выводы

Применение технологий наплавки в процессе получения биоинертных покрытий на имплантатах позволяет достичь адгезионной прочности 3,5-5,0 МПа и регулировать структуру покрытия и размеры.

Установлено, что взаимодействие между титаном и УУКМ происходит с образованием переходной зоны из карбида титана, при этом

ширина переходной зоны влияет на характер разрушения системы углерод-титан.

Разработана технология создания имплан-татов с титановым покрытием толщиной до 10 мм.

Литература

1. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / Под ред. В. С. Степина, Н. Г. Шестеркина. М.: Машиностроение, 1985. 240 с.

2. Advances in Diverse Industrial Applications of Na-nocomposites / Ed. S. R. Boreddy Reddy. Intech Open Access Publisher, 2011. 588 p.

3. Скрябин В. Л. Новые углеродные материалы в реконструктивной хирургии костей и суставов: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. Пермь, 2010. 37 с.

4. Золкин П. И., Юдина Т. В., Филатова И. А. Биосовместимые углеродные материалы // Перспективные материалы. 2000. № 4. С. 48-53.

5. Мусалатов Х. А. Углеродные имплантаты в травматологии и ортопедии: дис. ... д-ра мед. наук. М., 1990. 402 с.

6. Асташина Н. Б. Перспективы комплексного подхода при лечении пациентов с дефектами челюстных костей // Уральский медицинский журнал. 2009. № 5. С. 5-8.

7. Струков Н. Н., Сметкин А. А., Асташина Н. Б.

Исследования межфазного взаимодействия в композиционном материале «углекон—титан» // Вестн. Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2014. Т. 16, № 1. С. 49-54.

8. Плазменное напыление биоактивных покрытий на имплантаты / М. Ф. Карасев, B. C. Клубникин, С. В. Новиков [и др.] // Газотермическое напыление в промышленности СССР и за рубежом: сб. Л., 1991. С. 63-65.

№ 3 (87)/2015