Получение и исследование титанового сплава Ti–38Zr–9Nb (ат. %) медицинского назначения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Титан и его сплавы обладают рядом уникальных свойств, таких как высокая удельная прочность, устойчивость к коррозии, нетоксичность и биосовместимость с тканями человека. Благодаря этим свойствам они широко используются для создания протезов суставов человеческого тела. В данной работе исследуются слитки сплавов Ti–38Zr–9Nb (ат. %) и полученные из них пластины. Особое внимание уделяется однородности химического состава, микроструктуре, фазовому составу и механическим свойствам. Полученные слитки подходят для дальнейшей обработки давлением. Гомогенизирующий отжиг при температуре 1000°С в течение двух часов разрушает дендритную структуру сплава. После гомогенизирующего отжига α′-фаза полностью растворяется в β-фазе, которая является основной для использования сплава в имплантах. Микроструктура пластины однородна и состоит из полиэдрических β-зерен. Размер зерен после прокатки составляет примерно 100 мкм. Рентгенофазовый анализ показал, что сплав состоит из метастабильного β-Ti, стабилизированного Nb и Zr. Сплав Ti–38Zr–9Nb обладает механическими свойствами, близкими к свойствам человеческой кости, а именно низким модулем упругости, высокой прочностью и пластичностью, которые делают его перспективным материалом для применения в медицинских целях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. А. Каплан

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

С. В. Конушкин

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

К. В. Сергиенко

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

А. Д. Горбенко

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

В. К. Жидков

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

М. А. Волчихина

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

Т. М. Севостьянова

Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 117513 Москва

Я. А. Морозова

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

А. Ю. Иванников

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

М. Г. Фролова

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

А. Г. Колмаков

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru

член-корреспондент РАН

Россия, 119334 Москва

М. А. Севостьянов

Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук

Email: mishakaplan@yandex.ru
Россия, 119334 Москва

Список литературы

  1. Kim H.Y., Ikehara Y., Kim J.I., Hosoda H., Miyazaki S. // Acta mater. 2006. Т. 54. № 9. P. 2419–2429. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.01.019
  2. Zhang J., Li Y., Li W. // J. Mater. Sci. 2021. Т. 56. P. 11456–11468. https://doi.org/10.1007/s10853-021-05814-4
  3. Patel N., Gohil P. // Int. J. Emerg. Technol. Adv. Eng. 2012. T. 2. № 4. P. 91–101.
  4. Bai L., Gong C., Chen X., Sun Y., Zhang J., Cai L., Zhu S., Xie S.Q. // Metals. 2019. T. 9. № 9. P. 1004. https://doi.org/10.3390/met9091004
  5. Chao Q., Hodgson P.D., Beladi H. // Metall. Mater. Trans. A. 2014. V. 45. P. 2659–2671. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2205-5
  6. Park Y.J., Song Y.H., An J.H., Song H.J., Anusavice K.J. // J. Dent. 2013. V. 41. № 12. P. 1251–1258. https://doi.org/10.1016/j.jdent.2013.09.003
  7. Li Y., Wong C., Xiong J., Hodgson P., Wen C. // J. Dent. Res. 2010. V. 89. № 5. P. 493–497. https://doi.org/10.1177/0022034510363675
  8. Schneider S.G., Nunes C.A., Rogero S.O., Higa O.Z., Bressiani J.C. // Biomecánica. 2000. V. 8. № 1. P. 84–87. https://doi.org/10.5821/sibb.v8i1.1653
  9. Mishra A.K., Davidson J.A., Poggie R.A., Kovacs P., Ted J. Mechanical and tribological properties and biocompatibility of diffusion hardened Ti-13Nb-13Zr – A new titanium alloy for surgical implants. In: Medical applications of titanium and its alloys. Brown S.A., Lemons J.E. (eds). ASTM STP 1272, ASTM International, West Conshohocken, PA, 1996. pp. 96–116.
  10. Black J. Biological performance of materials. Fundamentals of biocompability. 4th ed. Taylor & Francis Group, LCC: Abingdon, UK, 2005. 520 p. https://doi.org/10.1201/9781420057843
  11. Конушкин С.В., Кирсанкин А.А., Михайлова А.В., Румянцев Б.А., Лукьянов А.С., Каплан М.А., Горбенко А.Д., Сергиенко К.В., Насакина Е.О., Колмаков А.Г., Севостьянов М.А. // Электрометаллургия. 2023. № 10. C. 2–8. https://doi.org/10.31044/1684-5781-2023-0-10-2-8
  12. Насакина Е.О., Сударчикова М.А., Баикин А.С., Мельникова А.А., Демин К.Ю., Дормидонтов Н.А., Прокофьев П.А., Конушкин С.В., Сергиенко К.В., Каплан М.А., Севостьянов М.А., Колмаков А.Г. // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 12. С. 25–29. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2023-12-25-29
  13. Сергиенко К.В., Михайлова А.В., Конушкин С.В., Каплан М.А., Насакина Е.О., Севостьянов М.А., Баикин А.С., Колмаков А.Г. // Металлы. 2022. № 4. C. 33–39. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2023-12-32-42
  14. Mohammed M.T., Khan Z.A., Siddiquee A.N. // Int. J. Chem. Nucl. Metall. Mater. Eng. 2014. V. 8. № 8. P. 822–827. https://doi.org/10.5281/zenodo.1094481
  15. Chen Q., Thouas G.A. // Mater. Sci. Eng. R Rep. 2015. V. 87. P. 1–57. https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.10.001
  16. Liu Q., Meng Q., Guo S., Zhao X. // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 2013. V. 23. № 6. P. 562–565. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2013.11.005
  17. Raffa M.L., Nguyen V.-H., Hernigou P., Flouzat-Lachaniette C.H., Haiat G. // J. Orthop. Res. 2021. V. 39. № 6. 1174–1183. https://doi.org/10.1002/jor.24840
  18. Shahzamanian M.M., Banerjee R., Dahotre N.B., Srinivasa A.R., Reddy J.N. // Compos. Struct. 2023. V. 39. 117262. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117262
  19. Konushkin S.V., Kaplan M.A., Sergienko K.V., Gorbenko A.D., Morozova Y.A., Ivannikov A.Yu., Sudarchikova M.A., Sevostyanova T.M., Nasakina E.O., Mikhlik S.A., Kolmakov A.G., Sevostyanov M.A. // Inorg. Mater. Appl. Res. 2024. V. 15. № 2. P. 395–401. https://doi.org/10.1134/S2075113324020266
  20. Hanawa T. // Sci. Technol. Adv. Mater. 2022. V. 23. № 1. P. 457–472. https://doi.org/10.1080/14686996.2022.2106156
  21. Popescu S.M., Manolea H., Diaconu O.A., Mercuţ V., Scrieciu M., Dascǎlu I.T., Ţuculina M.J., Obadan F., Popescu F.D. // Defect and Diffusion Forum, 2017. V. 376. P. 12–28. https://doi.org/10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/DDF.376.12
  22. O’Brien B. Niobium biomaterials. In: Advances in metallic biomaterials. Niinomi M., Narushima T., Nakai M. (eds). Springer Series in Biomaterials Science and Engineering, vol. 3. Springer, Berlin, Heidelberg, 2015. 245–272. https://doi.org/10.1007/978-3-662-46836-4_11
  23. Sergienko K.V., Konushkin S.V., Kaplan M.A., Gorbenko A.D., Guo Y., Nasakina E.O., Sudarchikova M.A., Sevostyanova T.M., Morozova Ya.A., Shatova L.A., Mikhlik S.A., Sevostyanov M.A., Kolmakov A.G. // Metals. 2024. V. 14. №11. 1311. https://doi.org/10.3390/met14111311
  24. Wang B.L., Li L., Zheng Y.F. // Biomed. Mater. 2010. V. 5. № 4. 044102. https://doi.org/10.1088/1748-6041/5/4/044102

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Микроструктура сплава: (а) после выплавки – центр слитка, (б) после выплавки – дендриты на верхней части слитка, (в) после выплавки и гомогенизирующего отжига, (г) после выплавки, гомогенизирующего отжига и закалки.

Скачать (913KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение элементов по сечению слитка Ti–38Zr–9Nb.

Скачать (977KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Рентгенограммы сплава Ti–38Zr–9Nb: после выплавки (1), после выплавки и гомогенизирующего отжига (2), после выплавки, гомогенизирующего отжига и закалки (3), после прокатки (4).

Скачать (222KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Микроструктура пластины Ti–38Zr–9Nb после проката: вид сверху (а), вид сбоку (б).

Скачать (905KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фрактография сплава Ti–38Zr–9Nb после исследования механических свойств.

Скачать (480KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025