КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 18-79-00247
НазваниеРазработка технологических основ получения высокобиосовместимых костных имплантатов из сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb методами комбинированной термомеханической обработки
РуководительШереметьев Вадим Алексеевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2020 |
Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые словаметаллические биоматериалы, титановые сплавы с памятью формы, термомеханическая обработка, радиально-сдвиговая прокатка, ротационная ковка, структура, механические свойства, функциональные свойства
Код ГРНТИ76.09.43
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Предложенный проект направлен на разработку технологических основ получения имплантатов с высоким комплексом функциональных свойств из сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb нового поколения методами комбинированной термомеханической обработки с применением радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки.
С развитием металловедения для медицины возрастают требования к металлическим материалам для костных имплантатов. Материал должен состоять из исключительно совместимых (не токсичных) компонентов. Для обеспечения биомеханической совместимости, материал должен обладать низким значением модуля Юнга, близким к таковым для костной ткани (до 30ГПа). Низкие значения модуля Юнга (40-80ГПа) и сверхупругое поведение, близкое к поведению костной ткани, демонстрируют сплавы с памятью формы. В последние десятилетия все больший интерес привлекают безникелевые сплавы на основе системы Ti-Zr-Nb. Благодаря уникальному сочетанию биохимической и биомеханической совместимости эти сплавы являются наиболее перспективными среди металлических биоматериалов. Термомеханическая обработка является инструментом для эффективного управления структурой и функциональными свойствами сплавов с памятью формы. Выбор рациональной схемы термомеханической обработки приводит к существенному увеличению функциональной усталостной долговечности сплавов на основе Ti-Zr-Nb. Комбинированная термомеханическая обработка, совмещающая радиально-сдвиговую прокатку и ротационную ковку, эффективна для производства круглого сортового проката широкого сортамента размеров, необходимого при изготовлении костных имплантатов. По своему морфологическому строению металл после применения этих методов становится материалом нового качества: достигается комплексное повышение и стабилизация физико-механических и служебных свойств металла.
В рамках реализации этого проекта будет проведено физическое моделирование холодной, теплой и горячей деформации сплава Ti-Zr-Nb и исследовано структурообразование. На основании исследования реологических особенностей будут определены температурно-скоростные условия, благоприятные для проведения термомеханической обработки. По полученным параметрам будет проведена экспериментальная радиально-сдвиговая прокатка с последующей ротационной ковкой для получения объемных заготовок. Комплексное исследование структуры, механических и функциональных свойств полученных заготовок позволит определить оптимальный режим термомеханической обработки сплава Ti-Zr-Nb.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие научные результаты:
1) Диаграммы деформации сплава Ti-18Nb-14Zr в различных температурно-скоростных условиях. На основании анализа этих диаграмм и исследования структурообразования будут определены температуры и скорости деформации, благоприятные для проведения термомеханической обработки;
2) Закономерности структурообразования сплава Ti-Zr-Nb в различных температурно-скоростных условиях;
3) Закономерности изменения структуры и функциональных свойств сплава Ti-Zr-Nb в результате применения комбинированной термомеханической обработки, включающей радиально-сдвиговую прокатку, ротационную ковку;
4) Оптимальные режимы комбинированной термомеханической обработки для получения сплава Ti-Zr-Nb с памятью формы с высоким комплексом функциональных и механических свойств;
5) Объемные образцы из сплава Ti-Zr-Nb с высоким комплексом функциональных свойств, полученные методом комбинированной термомеханической обработки, включающей радиально-сдвиговую прокатку и ротационную ковку.
Полученные результаты позволят заложить основы технологий для создания на территории Российской Федерации производства костных имплантатов с уникальным сочетанием биомеханической и биохимической совместимости с костной тканью, не имеющих аналогов в мире.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Получен слиток сплава Ti-18Zr-14Nb с памятью формы методом вакуумной плавки. Произведена оценка качества химического состава слитка и его однородности. Изготовлены образцы для физического моделирования процессов холодной, теплой и горячей деформации. Произведено физическое моделирование процессов холодной, теплой и горячей деформации сплава Ti-18Zr-14Nb с памятью формы с использованием комплекса физического моделирования Gleeble 3800. На основании анализа построенных диаграмм деформации в различных температурно-скоростных условиях получены экспериментальные зависимости параметров диаграмм от температуры деформации с возможным установлением качественной (количественной) зависимости структурообразования от условий деформации. Исследована структура образцов до и после физического моделирования методом световой микроскопии. Определены температуры и скорости деформации, благоприятные для проведения термомеханической обработки.
Публикации
1. В. Шереметьев, А. Кудряшова, В. Чеверикин, А. Коротицкий, С. Галкин, С. Прокошкин, В. Браиловский Hot radial shear rolling and rotary forging of metastable beta Ti-18Zr-14Nb (at. %) alloy for bone implants: microstructure, texture and functional properties Journal of Alloys and Compounds, - (год публикации - 2019)
2. Вадим Шереметьев, Анастасия Кудряшова, Сергей Галкин, Владимир Андреев, Сергей Прокошкин, Владимир Браиловский Superelastic Ti-Zr-Nb Alloy for Spinal Rods: Technology, Microstructure, Texture, and Functional Properties SMST 2019: Conference Proceedings from the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies May 13–17, 2019, Konstanz, Germany, - (год публикации - 2019)
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Комбинированная термомеханическая обработка сплава Ti-Zr-Nb проведена с применением методов радиально-сдвиговой прокатки, ротационной ковки и продольной прокатки по выбранным режимам. Получены объемные заготовки длинномерных прутковых заготовок для исследований и испытаний. Исследование структуры, субструктуры, фазового состава, кристаллической структуры фаз полученных образцов проведены с применением методов световой микроскопии, рентгеноструктурного анализа, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии. Произведен расчет и определена ориентационная зависимость теоретического ресурса обратимой деформации полученных образцов методом. Методами статических испытаний на растяжение и функциональных усталостных испытаний определен комплекс механических и функциональных свойств полученных образцов. Анализ и обобщение результатов позволил определить оптимальные режимы комбинированной термомеханической обработки для получения сплава Ti-Zr-Nb с памятью формы с высоким комплексом функциональных и механических свойств.
Публикации
1. В. Шереметьев, А. Кудряшова, В. Чеверикин, А. Коротицкий, С. Галкин, С. Прокошкин, В. Браиловский Hot radial shear rolling and rotary forging of metastable beta Ti-18Zr-14Nb (at. %) alloy for bone implants: microstructure, texture and functional properties Journal of Alloys and Compounds, 800 (2019) 320-326 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.041
2. В. Шереметьев, А. Кудряшова, М. Деркач, К. Лукашевич, В. Андреев, С. Галкин, С. Прокошкин, В. Браиловский The effect of combined thermomechanical treatment on the structure, phases and hardness of a superelastic Ti-Zr-Nb bar stock IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 672 012059 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1757-899X/672/1/012059
3. Та Динь Суан, В.А. Шереметьев, А.А. Кудряшова, С.П. Галкин, В.А. Андреев, С.Д. Прокошкин, В. Браиловский ВЛИЯНИЕ КОМБИНАЦИИ РАДИАЛЬНО-СДВИГОВОЙ ПРОКАТКИ И РОТАЦИОННОЙ КОВКИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРУТКОВОЙ ЗАГОТОВКИ МАЛОГО ДИАМЕТРА ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Известия вузов. Цветная металлургия, No. 2. С. 22–31 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.17073/0021-3438-2020-2-22-31
Возможность практического использования результатов
Разработанные технологические основы (режимы) комбинированной термомеханической обработки сплавов Ti-Zr-Nb могут быть использованы при создании на территории РФ производства длинномерных полуфабрикатов для изготовления костных имплантатов с высоким комплексом функциональных свойств, обеспечивающим биохимическую и биомеханическую совместимость. Длинномерные прутки из сплава Ti-Zr-Nb могут служить полупродуктом для изготовления костных имплантатов работающих под нагрузкой, например: балки для транспедикулярной фиксации позвоночника. Получаемые изделия, благодаря уникальному сочетанию функциональных характеристик не будут иметь аналогов в мире.