Введение к работе
Актуальность проблемы. Применение титанового сплава ВТб не
ограничивается только авиакосмической техникой. Благодаря удачному сочетанию
физико-механических и антикоррозионных свойств этот сплав нашел применение в
медицине, в частности, в ортопедии, для изготовления нагруженных деталей
имплантатов. Из сплава ВТ6 (Ti-6A1-4V) изготавливают ножку эндопротеза
тазобедренного сустава (ЭПТС), которая фиксируется в костно-мозговом канале
бедра с помощью костного цемента (цементная фиксация) или за счет врастания
костной ткани в пористое покрытие ножки из сплава ВТІ-0 (бесцементная
фиксация). Кроме того, из сплава ВТб иногда изготавливают головку ЭПТС,
которая в паре со вкладышем из сверхвысокомолекулярного полиэтилена
(СВМПЭ) ацетабулярного компонента обеспечивает подвижность искусственного
сустава. По сравнению с широко применяемыми для этих целей кобальто-
хромовыми сплавами и нержавеющими сталями, титан и его сплавы
характеризуются наиболее высокой коррозионной стойкостью и биологической
совместимостью. Кроме того, они не вызывают аллергических реакций, имеют
более низкие характеристики модуля упругости н плотности при высокой удельной
прочности.
Однако технология производства металлических компонентов ЭПТС из титана и его сплавов достаточно сложная и дорогостоящая. В целях уменьшения себестоимости продукции и экономии материала целесообразно применять фасонное литье для изготовления ножки эндопротеза. Однако уровень механических свойств литых титановых изделий из-за крупной пластинчатой микроструктуры значительно ниже, чем изделий, полученных из деформированных полуфабрикатов. Хотя в ряде работ, проведенных в «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.Циолковского под руководством профессора Ильина А^., была показана принципиальная возможность преобразования литой структуры титановых сплавов с помощью термоводородной обработки (ТВО), исследований по применению ТВО к обработке компонентов эндопротезов проведено не было.
При использовании цементной фиксации поверхность ножки должна быть полированной и иметь высокую износостойкость. Однако титановые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, и трение поверхности ножки о костный цемент вызывает образование продуктов износа, попадание которых в узел трения ацетабулярного компонента приводит к его интенсивному износу. В связи с этим титановые ножки для цементной фиксации в настоящее время практически не применяются.
Первичная фиксация бесцементного протеза обеспечивается за счет плотной его посадки в костномозговом канале, а вторичная фиксация происходит за счет прорастания костной ткани в пористое проницаемое покрытие. Опыт применения таких эндопротезов показывает достаточно высокую вероятность отслаивания пористого слоя и попадания частиц в узел трения, что приводит к полной потере работоспособности эндопротеза в целом.
Головки ЭПТС должны иметь низкий коэффициент трения при работе в паре со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. В настоящее время титановые ножки чаще всего комплектуют головками из сплава системы Со-Сг-Мо, т.к. головки из сплава ВТ6 (fi-6Al-4V) показывают чрезвычайно низкую работоспособность. Однако наличие контакта двух разнородных металлов приводит к развитию коррозии, что ограничивает применение титановых сплавов для изготовления металлических компонентов ЭПТС.
Как показал анализ литературных данных, ограниченное применение титановых сплавов для изготовления компонентов эндопротезов тазобедренного сустава обусловлено невысокой эффективностью применяемых технологий производства, что не позволяет сформировать оптимальную микроструктуру в отдельных компонентах эндопротеза тазобедренного сустава и обеспечить необходимый уровень эксплуатационных свойств как отдельных компонентов, так и эндопротеза в целом. Поэтому разработка технологий термической и термоводородной обработок, обеспечивающих получение регламентированной микроструктуры и заданного комплекса механических свойств компонентов эндопротезов тазобедренного сустава из титановых сплавов, является актуальной проблемой.
Цель настоящей работы состояла в разработке технологий термической и термоводородной обработок полуфабрикатов и изделий из сплава ВТб для получения заданных микроструктуры и комплекса механических свойств металлических компонентов эндопротеза тазобедренного сустава. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать режим термической обработки горячекатаных плит из сплава
ВТб с целью получения регламентированной микроструктуры и гарантированного
уровня механических свойств ножек эндопротеза.
2. Изучить влияние режимов термоводородной обработки на процесс
формирования структуры и механических свойств фасонных отливок из сплава
ВТ6Л.
-
Изучить влияние различных режимов термоводородной обработки на антифрикционные свойства сплава ВТб при работе в паре со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом и разработать технологию обработки головок эндопротеза тазобедренного сустава из этого сплава, обеспечивающую надежную работу пары трения искусственного сустава.
-
Разработать режим термоводородной обработки для поверхностного упрочнения ножек эндопротеза, полученных из плит сплава ВТб, для повышения их работоспособности в условиях действия циклических нагрузок на ножку, помещенную в мантию из костного цемента.
-
Разработать режим ТВО ножек эндопротеза, полученных фасонным литьем, с напыленным пористым покрытием из нелегированного титана, обеспечивающий диспергацию литой микроструктуры и получение гарантированного уровня механических свойств как литой основы ножки, так и границы между основой ножки из сплава ВТбЛ и пористым покрытием из сплава ВТ1-0.
Научная новизна:
1. Впервые показано, что применение термоводородной обработки позволяет получить в сплаве ВТб ультрадисперсную а+Р - структуру с размером частиц а - фазы около 1мкм.
-
Впервые показано, что проведение термоводородной обработки, обеспечивающей формирование ультрадисперсной микроструктуры и повышение твердости сплава ВТ6 до 42-44 единиц HRC, позволяет в несколько раз снизить коэффициент трения и износ материалов в парах трения сплав ВТб - костный цемент и сплав ВТб - сверхвысокомолекулярный полиэтилен.
-
Установлено, что проведение термоводородной обработки изделий из сплава ВТ6Л с напыленным пористым покрытием из сплава ВТІ-0 обеспечивает возникновение физико-химического контакта на границе основа - покрытие с образованием переходной зоны с непрерывным изменением концентрации легирующих элементов и микроструктуры.
Практическая значимость:
{.Разработаны режимы термической обработки горячекатаных плит из сплава ВТб, позволяющие получить регламентированную микроструктуру и уровень механических свойств, соответствующие международному стандарту ISO 5832/3-89.
-
Разработан режим термоводородной обработки литых ножек эндопротеза из сплава ВТ6Л с напыленным покрытием из сплава ВТ1-0, состоящий из наводороживающего отжига при температуре 800С до концентрации 0,8 масс.% водорода н трехступенчатого вакуумного отжига по схеме: 500"С, 2ч+750С, Зч+800С,2ч., который позволяет полностью преобразовать литую микроструктуру, получить механические свойства: а, 1090 МПа, Оо^й 1020 МПа, 5 13%, \|» 25%, о.|=510 МПа и обеспечить физико-химический контакт между покрытием и основой, гарантирующий прочность на срез х^ 200 МПа.
-
Разработан режим термоводородной обработки головок эндопротеза из сплава ВТб, состоящий из наводороживающего отжига при температуре 800С до 0,8 масс.% водорода и двухступенчатого вакуумного отжига при температурах 500С, бч. и 600С, 8ч., позволяющий получить твердость 42-44 ед. HRC, что вызывает уменьшение склонности сплава ВТб к микропластической деформации,
значительному улучшению полируемости поверхности, и, соответственно, улучшению трибологических характеристик.
4. Разработан режим термоводородной обработки для поверхностного упрочнения ножки эндопротеза, позволяющий исключить износ металла при трении о костный цемент и в 15 раз снизить износ последнего.
Разработанные технологии были использованы компанией «Имплантаты Материалы Технологии» при производстве элементов эидопротезов из титановых сплавов, что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Материалы работы доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Молодежных научно-технических конференциях «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.Циолковского «Гагаринские чтения» (1996-2000гг., Россия), на Научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (1998г., Россия) и на II Международной конференции «Водородная обработка материалов» (1998г., Украина).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 135 наименований и приложения. Изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 13 таблиц.
