Способ получения пористых и проницаемых заготовок кольцевой формы из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий
METHOD FOR OBTAINING POROUS AND PERMEABLE RING-SHAPED BLANKS FROM A SUPERELASTIC TITANIUM-ZIRCONIUM-NIOBIUM SYSTEM ALLOY

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению пористых и проницаемых заготовок кольцевой формы из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий. Полученные материалы могут быть использованы в медицине, а именно спинальной хирургии, в качестве имплантатов для замещения межпозвоночных дисков и тел позвонков.
Известен способ получения биомедицинского материала на основе сплава Ti-39Nb-6Zr (CN 106801163 А, опублик. 06.06.2017), который включает в себя получение слитка, его распыление с целью получения сферических частиц с диаметром 100-150 мкм, смешивание металлических частиц с порообразователем бикарбонатом аммония, перемешивание и прессование полученной смеси, с дальнейшей термообработкой, заключающейся в удалении порообразователя в печи для спекания с аргоновой трубкой. В описании известного изобретения отсутствует информация о важных для пористых биоматериалов структурных параметрах материала, а именно не указаны размеры пор, проницаемость изделия.
Недостатком способа является ограниченная пористость до 42.1%.
Известен также способ получения проницаемых материалов на основе никелида титана для использования в изделиях медицинской техники (RU 2 394 112 С2, опублик. 17.07.2010). Согласно данному способу в шихту, содержащую никель и титан, вводят 0,1-1,0 ат. % порошка алюминия и выдерживают при комнатной температуре в течение 20-25 часов. После чего шихту засыпают в графитовую форму и выдерживают при 1127-1227 С° в течение 25-35 минут. Полученный спеченный штаб помещают в вольфрамовую форму и выдерживают при температуре 1400-1500 К в течение 25-35 минут.
Недостатком указанного способа является содержание в титановом сплаве токсичного никеля, что ограничивает их дальнейшее применение в ряде развитых стран.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ получения проницаемого материала из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий (RU 2 687 352 С1, опублик. 13.05.2019), который заключается в равномерном перемешивании порошка порообразователя полиметилметакрилата с размером частиц не более 250 мкм с порошком металлического сплава системы титан-цирконий-ниобий с размером частиц не более 50 мкм, с дальнейшим компактировании смеси путем двухстороннего прессования в цилиндрические заготовки диаметром 5-20 мм и высотой 5-40 мм. Затем проводят пиролиз при многоступенчатом нагреве с выдержкой при температуре 400-450°С в течение 2-3 ч и спекание при температуре 1350-1400°С и давлении не менее 0,0001 торр в течение 3-4 ч. В результате применения способа-прототипа можно получать проницаемую цилиндрическую заготовку с пористостью более 50%, с пределом прочности на сжатие до 210 МПа и низким значением модулю Юнга (10 ГПа). В описании известного изобретения отсутствует информация о важных для пористых биоматериалов структурных параметрах материала, а именно, о проницаемости изделия.
Недостатками данного способа являются: возможность изготовления образцов только цилиндрической формы, ограниченных по диаметру и высоте до 20 мм и 40 мм соответственно, а также недостаточное количество пор размером 100-800 мкм, необходимое для остеоинтеграции.
-11
2
-11
2
Технический результат, достигаемый в изобретении заключается в обеспечении возможности получения высокопористых изделий кольцевой формы, имитирующей форму спинального кейджа, с содержанием пор размером 100-800 мкм более 60% от суммарного объема, низким значением модуля Юнга 5-15 ГПа, высоким пределом прочности на сжатие не менее 100 МПа и проницаемостью от 40×10 м до 90×10 м.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Способ получения пористых и проницаемых заготовок из сплава системы Ti-18Zr-15Nb (% ат.) включает отсев металлического порошка фракции от 10 до 50 мкм, рассев порошка полиметилметакрилата на фракции от 50 до менее 160 мкм и от 160 до 250 мкм и получение смеси порошков в следующем соотношении компонентов (% мае):
фракция полиметилметакрилата от 50 до менее 160 мкм
4-6,
фракция полиметилметакрилата от 160 до 250 мкм
16-24,
фракция металлического порошка от 10 до 50 мкм
80-70,
путем перемешивания в смесителе в течение 20-30 минут под углом 20-25° к горизонту. Затем проводят квази-двустороннее прессование при давлении 125-150 МПа в кольцевые заготовки с отношением высоты к внешнему диаметру не более 2 и отношением высоты к толщине стенки заготовки не более 4, после чего осуществляют пиролиз с выдержкой по 60-75 минут при температурах 345 - 355°С и 445 - 455°С и давлении не более 0,001 тор и затем следует спекание при температуре 1340-1350°С в течении 3-4 ч и давлении не более 0,0001 тор.
Способ осуществляют следующим образом.
Слиток на основе Ti-18Zr-15Nb (ат.%), полученный методом вакуум-но-дугового переплава подвергается диспергированию газовым потоком аргона при температуре 1800°С.
Из полученного металлического порошка отсеивают фракцию с размером частиц от 10 до 50 мкм. Порошок полиметилметакрилата, являющегося порообразователем в материале, классифицируют по размеру частиц от 50 до менее 160 мкм и от 160 до 250 мкм.
Общую массу смеси рассчитывают по формуле:
где
Мн - масса смеси металлического порошка и порошка полиметилметакрилата г;
n - количество образцов;
3
V - объем кольца, мм.
Массовую долю металлического порошка находят по формуле:
где
Ммп - массовая доля металлического порошка;
Р - пористость, %.
Массовую долю полиметилметакрилата находят по формуле:
где
Мпо - массовая доля полиметилметакрилата.
Соотношение порошков полиметилметакрилата с размером частиц от 50 до менее 160 мкм и полиметилметакрилата с размером частиц от 160 до 250 мкм составляет в 20% и 80% к общей массе порошка полиметилметакрилата соответственно. Перемешивание осуществляется в герметичном смесителе с лопатками под углом 20-25° к горизонту со скоростью 60±20 об./мин. в течение 20-30 минут. Масса навески смеси для заготовок кольцевой формы по формуле:
где
н
М1 - масса навески смеси порошков, г;
3
V - объем образцов, мм.
Прессование смеси осуществляется на гидравлическом прессе при помощи полой пресс-формы с давлением 125-150 МПа по схеме квазидвухстороннего прессования с дополнительной нижней прокладкой для свободной выпрессовки образцов. Данная схема компактирования позволяет получать заготовки с отношением высоты к внешнему диаметру не более 2 и отношением высоты к толщине стенки заготовки не более 4.
Перед операцией пиролиза с заготовки счищают образовавшейся за счет трения в процессе прессования металлический налет для полного выхода полиметилметакрилата из тела заготовки. Пиролиз проводят при давлении не менее 0,001 торр. Температурный режим пиролиза включает в себя:
- нагрев до 275 - 285 С, скорость нагрева 10 С/мин,
- нагрев до 345 - 355 С, скорость нагрева 2 С/мин, выдержка 60-75 мин,
- нагрев до 445 -455 С, скорость нагрева 2 С/мин, выдержка 60-75 мин,
- охлаждение в печи до комнатной температуры.
Спекание проводят при давлении не менее 0,0001 торр. Температурный режим спекания включает в себя:
- нагрев до 1340-1350°С, скорость нагрева не контролируется,
- выдержка в течении 3-4 ч.,
- охлаждение в печи до комнатной температуры.
В результате применения способа получают проницаемые пористые заготовки кольцевой формы с заявленными характеристиками.
Пример 1.
Для получения заготовки из проницаемого пористого металлического материала на основе сплава Ti-18Zr-15Nb (ат.%) кольцевой формы с внешним диаметром 40 мм, внутренним диаметром 28 мм, высотой 10 мм с заданной пористостью 51% проводили следующие действия:
1. Отсев фракции металлического порошка на основе Ti-18Zr-15Nb (ат. %) 10-50 мкм.
2. Классификация порошка полиметилметакрилата на две фракции от 50 до менее 160 мкм и от 160 до 250 мкм.
3. Смешивание 17,28 г металлического порошка с размером частиц от 10 до 50 мкм с 0,86 г порошка полиметилметакрилата с размером частиц от 50 до менее 160 мкм и 3,46 г порошка полиметилметакрилата с размером частиц от 160 до 250 мкм.
4. Перемешивание смеси порошков в течение 25 минут под углом 25° г горизонту в смесителе со скоростью 60 об. /мин.
5. Прессование смеси массой 16,6 г с давлением 150 МПа на гидравлическом прессе при помощи пресс-формы с плавающей матрицей.
6. Удаление металлического налета с заготовки при помощи абразивной бумаги.
7. Пиролиз при давлении не менее 0,001 торр по режиму:
- нагрев до 275 С, скорость нагрева 10 С/мин
- нагрев до 345 С, скорость нагрева 2 С/мин, выдержка 60 мин
- нагрев до 445 С, скорость нагрева 2°С/мин, выдержка 60 мин
- охлаждение в печи до комнатной температуры
8. Спекание проводят при давлении не менее 0,0001 торр по режиму:
- нагрев до 1350°С, скорость нагрева не контролируется,
- выдержка в течении 3 ч.,
- охлаждение в печи до комнатной температуры.
-11
2
В результате применения способа получено изделие из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий кольцевой формы с внешним диаметром 40 мм, внутренним диаметром 28 мм, высотой 10 мм, с пористостью 51%, проницаемостью 41×10 м, пределом прочности 225 МПа, модулем Юнга равным 15 ГПа.
Пример 2.
Для получения заготовки из проницаемого пористого металлического материала на основе сплава Ti-18Zr-15Nb (% ат.) кольцевой формы с внешним диаметром 40 мм, внутренним диаметром 28 мм, высотой 20 мм с заданной пористостью 58% необходимо осуществить следующие действия:
1. Отсев фракции металлического порошка на основе Ti-18Zr-15Nb (% ат.) 10-50 мкм.
2. Классификация порошка полиметилметакрилата на две фракции от 50 до менее 160 мкм и от 160 до 250 мкм.
3. Смешивание 28,64 г металлического порошка с размером частиц от 10 до 50 мкм с 1,9 г порошка полиметилметакрилата с размером частиц от 50 до менее 160 мкм и 7,639 г порошка полиметилметакрилата с размером частиц от 160 до 250 мкм.
4. Перемешивание смеси порошков в течение 30 минут под углом 25° г горизонту в смесителе со скоростью 60 об. /мин.
5. Прессование смеси массой 33,2 г с давлением 150 МПа на гидравлическом прессе при помощи пресс-формы с плавающей матрицей.
6. Удаление металлического налета с образца при помощи абразивной бумаги.
7. Пиролиз при давлении не менее 0,001 торр по режиму:
- нагрев до 285 С, скорость нагрева 10 С/мин
- нагрев до 355°С, скорость нагрева 2 С/мин, выдержка 60 мин
- нагрев до 455 С, скорость нагрева 2 С/мин, выдержка 60 мин
- охлаждение в печи до комнатной температуры
8. Спекание проводят при давлении не менее 0,0001 торр по режиму:
- нагрев до 1350°С, скорость нагрева не контролируется
- выдержка в течении 3 ч.
- охлаждение в печи до комнатной температуры
-11
2
В результате применения способа получено изделие из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий кольцевой формы с внешним диаметром 40 мм, внутренним диаметром 28 мм, высотой 20 мм, с пористостью 58%, проницаемостью 88×10 м, пределом прочности 145 МПа, модулем Юнга равным 6 ГПа.