Введение к работе
Актуальность работы.
Одной из актуальных проблем в области производства имплантатов различных элементов костно-хрящевых структур позвоночника, является разработка технологий создания материалов, обладающих помимо высоких механических свойств биомеханическими характеристиками, соответствующими характеристикам замещаемых костных тканей. К наиболее важным таким характеристикам можно отнести механическую совместимость, то есть максимальное соответствие жесткости имплантата жесткости замещаемого костного фрагмента. В отдельных случаях, требуемым условием является наличие определенной пористости материала или изделия, позволяющей улучшить остеоинтеграцию костной ткани с имплантатом. В настоящее время основными материалами, применяемыми при производстве имплантатов, являются Ті и его сплавы. При создании конструкций имплантатов с механическим поведением, соответствующим тканям позвоночника широкое применение нашли сплавы с эффектом памяти формы на основе интерметаллида TiNi. Современные технологии создания полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе Ті и TiNi, разработанные в "МАТИ"- Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского, позволяют создавать имплантаты различного назначения, однако существует ряд нерешенных задач.
Так, актуальной является задача разработки экономичной технологии получения пористых титановых имплантатов с высокими механическими свойствами и оптимальным уровнем жесткости для замещения тел позвонков и межпозвонковых дисков. При разработке динамических имплантатов для стабилизации позвоночника из сплавов на основе TiNi необходимо разработать технологию неразъемного соединения различных видов полуфабрикатов, позволяющую создавать изделия сложной формы. Такая технология соединения должна обеспечивать высокие механические свойств зоны соединения, при минимальном воздействии на структуру и функциональные свойства материала -эффект памяти формы (ЭПФ) и сверхупругость (СУ). Кроме того должна существовать возможность управления характеристиками ЭПФ и СУ в сварных
конструкциях режимами термической обработки. Одним из возможных решений вышеперечисленных задач является использование способа диффузионной сварки уже нашедшего применение при создании конструкций из Ті и его сплавов различной конфигурации.
В связи с этим цель данной работы явилось исследование процесса диффузионной сварки сплавов на основе титана и никелида титана и технологии получения конструкций биологически и механически совместимых имплантатов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Провести анализ существующих конструкций и способов получения пористых материалов имплантатов позвонков и межпозвонковых дисков и разработать конструкцию имплантата с механическими характеристиками максимально приближенными к свойствам замещаемой костной ткани;
Разработать режим диффузионной сварки пористых полуфабрикатов из сплава ВТ-1-00 для получения изделий с заданными характеристиками пористости и жесткости;
3. Исследовать возможность дополнительного упрочнения сварных
конструкций и оптимизации режимов диффузионной сварки с использованием
термоводородной обработки (ТВО);
4. Исследовать процесс диффузионной сварки (ДС) сплавов на основе
никелида титана;
5. Изучить влияние высокотемпературной обработки в процессе
диффузионной сварки на характеристики сверхупругости (СУ) и эффект памяти
формы (ЭПФ) свариваемых полуфабрикатов, исследовать коррозионную стойкость
сварных конструкций.
Научная новизна работы:
1. Изучено влияние термоводородной обработки на структуру и свойства сварных соединений из сплава ВТ-1-00. Установлено, что в процессе обратимого легирования сварных конструкций водородом до 0,8%, вследствие развития рекристаллизации и фазовой перекристаллизации происходит устранение дефектов
сварки и повышение комплекса механических свойств. Показано, что применение ТВО позволяет проводить процесс сварки при температурах ниже температур полиморфного превращения.
Исследован процесс диффузионной сварки сплавов на основе TiNi. Установлена роль параметров диффузионной сварки на структуру и свойства сплавов. Показано, что наиболее активно процесс диффузионной сварки протекает начиная с температуры 1000С, что связано с резким снижением предела текучести материала и протекающими диффузионными процессами растворения неравновесных интерметаллидов в матрице сплава. Установлено, что причиной снижения прочности сварного соединения является увеличение объемной доли интерметаллидов Тіг№ в зоне соединения вследствие взаимодействия свариваемых поверхностей с остаточным кислородом.
Изучено влияние высокотемпературной обработки на структуру и функциональные свойства полуфабрикатов. Установлено, что в сплавах на основе TiNi при нагреве вплоть до температуры 1120С, происходит снижение объемной доли и сфероидизация частиц Тіг№, что приводит к снижению хрупкости сварных соединений, но не сказывается на функциональных свойствах полуфабрикатов.
Практическая значимость работы:
1. Разработана технология получения имплантатов позвонков, получен патент
РФ на конструкцию и способ получения изделия. Проведены клинические
испытания имплантатов, разработаны и утверждены технические условия
«Имплантаты для стабилизации позвоночника с инструментами для установки».
Налажен серийный выпуск имплантатов в ЗАО «КИМПФ».
Разработаны режимы термоводородной обработки сварных пористых конструкций из сплава ВТ-1-00, обеспечивающие повышение прочности сварных соединений в 1,5-2 раза и улучшающие механическую обрабатываемость изделий.
Разработан режим диффузионной сварки листовых полуфабрикатов из сплавов на основе TiNi, обеспечивающий высокие механические свойства сварных соединений (не менее 500МПа на срез) без изменений в химическом составе и свойствах свариваемых полуфабрикатов. Установлены режимы термической
обработки, позволяющие управлять характеристиками СУ и ЭЗФ сварных конструкций.
Апробация работы. Результаты работы доложены на научно-техническом семинаре «Диффузионная сварка и ее роль в современной технике», посвященном 100-летию Н.Ф. Казакова (в рамках 5-й Всеросийской НТК «Быстрозакаленные материалы и покрытия», 2006г.), на Всероссийских с международным участием научно-технической конференциях «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (2007, 2008), международных конференциях "Титан в СНГ" (2008, 2009), Молодежных научно-технических конференциях «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского «Гагаринские чтения» (2003, 2006 г., Россия), 48-ой международной конференции "Актуальные проблемы прочности" Тольятти, (2009), международной конференции "Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия, сварка. Белоруссия, (2008).
Публикации по теме исследования: По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале из Перечня ведущих научных журналов и изданий ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 131 наименования. Изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 16 таблиц.
