Введение к работе
з
Актуальность работы:
Сегодня медицина и техника в своем арсенале предлагает широкий спектр металлических материалов с новыми свойствами, включая сплавы на основе никелида титана, проявляющие эффект памяти формы.
В НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы (г. Томск) более 30 лет ведутся разработки сплавов на основе никелида титана, удовлетворяющих высоким медико-техническим требованиям. Ведется разработка как монолитных, так и пористо-проницаемых сплавов на основе никелида титана. Одним из базовых сплавов, разработанных для медицины, является сплав ТН-10, состав которого представляет собой сложную систему, в которую входят не только титан и никель, но и Mo, Fe, Со, А1. В литературе достаточно полно освещены вопросы влияния на свойства сплавов никелида титана таких элементов, как Mo, Fe, Со и не достаточно информации о влиянии А1.
Известно, что легирование монолитного сплава стехиометрического состава никелида титана (TiNi) алюминием приводит к следующему влиянию.
Тройные сплавы TiNiAl с содержанием алюминия 2 ат. % испытывают два перехода B2oRoB19' с широкими интервалами превращения в отличие от сплава стехиометрического бинарного состава с переходом В2оВ19'.
В сплавах системы TiNiAl при большей, чем 4-5 ат. % концентрации алюминия мартенситные превращения не завершаются полностью, вплоть до температуры жидкого азота -196 С, наблюдается один переход В2—>R.
Установлена корреляция между содержанием алюминия в сплаве и пределом прочности на сжатие. Так с увеличением количества алюминия прочность увеличивается. Причиной увеличения прочности на сжатие является содержание в матрице вторичных фаз NiTi2(Al) и дисперсных частиц в матрице №ТІ2(А1).
Все исследования были проведены на сплавах эквиатомного состава, легированных до 5 ат. % А1. На практике, в медицинских целях, используются более сложные составы сплавов и по ряду свойств эти сплавы отличаются от вышеприведенных легированных алюминием сплавов. Наиболее перспективными для легирования алюминием сплавами, являются разработанные специально для медицинских целей сплавы на основе
никелида титана, удовлетворяющие медико-техническим требованиям как имплантационные материалы, а температурный интервал изменения формы и функционирования соответствует нормальной температуре тела человека. Исследование влияния алюминия в никелиде титана носит не только поисковый характер, но и имеет практическую значимость, так как легирование алюминием является перспективным способом контролируемого изменения параметров формоизменения при фазовых превращениях.
Использование алюминия в качестве легирующей добавки никелида титана особенно перспективно в технологии получения пористых никелид-титановых сплавов методами СВС и спекания, в которых происходит активация процессов горения и спекания. Добавка порошка алюминия способствует снижению температур начала горения при СВС-синтезе и процессов спекания, способствуя увеличению физико-механических свойств.
Исходя из того, что алюминий в соответствии с эффективным атомным радиусом сходен с титаном, легирование никелида титана алюминием обеспечивает плавное изменение всего комплекса физико-механических свойств и эффектов памяти формы.
Однако для получения сплавов на основе никелида титана, легированных алюминием, существует проблема высокой химической активности алюминия, поэтому методы получения монолитных и пористых сплавов на основе никелида титана требуют существенного изменения и совершенствования.
Задачи исследования:
1. Провести комплексный анализ влияния алюминия на фазовые
превращения, структуру, физико-механические свойства и эффект памяти формы в монолитных и пористых сплавах на основе никелида титана. Определить оптимальный интервал легирования алюминием никелида титана для получения методом индукционной плавки сплавов с высоким уровнем физико-механических свойств и параметров эффекта памяти формы.
-
Исследовать и разработать методом порошкового спекания однородный по структуре никелид титана с высокими физико-механическими свойствами.
-
Исследовать и разработать методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза мелкопористый сплав никелида титана с однородной структурой и преимущественным содержанием пор 10" -5-10 мкм.
Научная новизна:
Разработан метод направленного уширения интервалов формоизменения в промышленных сплавах на основе никелида титана за счет легирования исходных компонентов никелида титана алюминием. Впервые получены пористые сплавы на основе никелида титана с высоким уровнем прочностных свойств по технологии порошкового спекания. Разработан метод получения мелкопористого сплава на основе никелида титана с однородной структурой и увеличенным содержанием пор 10" -г-10 мкм по технологии СВС. Научная и практическая значимость работы:
Установлены зависимости физико-механических свойств, параметры МЭПФ, интервалы и характеристические температуры МП монолитных и пористых сплавов на основе никелида титана, легированных алюминием. Легирование алюминием монолитных сплавов на основе никелида титана является одним из инструментов регулирования и плавного влияния на макроскопические изменения деформации при термоупругих мартенситных превращениях, что является одной из самых сложных задач, которые не имеют тривиальных решений на сегодняшний день.
В силу того, что решаемые пористыми сплавами на основе никелида титана практические задачи в медицине очень индивидуальны от случая к случаю, представляется актуальной задача управления распределением пор по размерам, средними размерами пор и монолитных границ раздела пор. Легирование сплавов на основе никелида титана алюминием позволяет непосредственно регулировать коэффициент проницаемости пористого материала в широких пределах.
Результаты работы используются в медицине, а именно в хирургии. Ведутся подготовительные работы к внедрению специально разработанных имплантатов из пористого никелида титана, полученного реакционным спеканием порошков титана, никеля, алюминия с монолитным армирующим элементом также из сплава на основе никелида титана. Данные имплантаты обладают рядом свойств, значительно превосходящими в применяемых сегодня прототипах. Легированные алюминием сплавы системы TiNi с мелкопористой однородной структурой используются в качестве элементов в челюстно-лицевой и сосудистой хирургии. Однородность мелкопористой структуры материала позволяет изготовленному элементу эндопротеза плотно
прилегать к поверхности тканей, создавая условия для остановки кровотечения и последующей интеграции тканей в имплантат. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности влияния легирования алюминием на фазовые превращения в монолитном никелиде титана, интервалы мартенситных превращений, параметры эффекта памяти формы и физико-механические свойства.
-
Результаты комплексных исследований разработанных пористых сплавов на основе никелида титана с высоким уровнем прочностных свойств, полученных методом спекания порошков основных компонентов никелида титана с алюминием.
-
Установленные закономерности и результаты исследования пористых сплавов на основе никелида титана, полученных методом СВС и имеющих однородную пористую структуру с преимущественным содержанием мелких пор.
Достоверность результатов достигается применением высокоточного оборудования и современных методов исследования, наличию публикаций основных положений диссертации в центральной печати, корреляции экспериментальных результатов с данными других авторов. Материалы исследований в диссертации защищены двумя патентами.
Апробация работы:
Научные результаты, полученные автором, были представлены и обсуждены на следующих конференциях:
Международная научно-практическая конференция "Материалы с памятью формы и новые технологии в медицине", Томск, 28-30 июня 2007 г.
I, IV Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», Томск, 2005, 2008 гг.
Международная научно-практическая конференция "Материалы с памятью формы и новые медицинские технологии", Томск, 28-30 июня 2010 г.
Публикации:
По материалам диссертационной работы опубликовано 23 печатных работ, включающих 4 статьи, входящих в перечень ВАК, 17 работ в сборниках трудов и материалов российских и международных конференций, 2 патента РФ. Список работ представлен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, выводов. Список литературы состоит из 117 наименований. Диссертационная работа изложена на 164 страницах, в том числе 80 рисунков и 22 таблицы.
Похожие диссертации на Структура и свойства монолитного и пористого никелида титана, легированного алюминием
