Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАТИМОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ВОДОРОДОМ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ФАСОННОЙ ОТЛИВКИ ИЗ СПЛАВА ВТ5

Авторы:
Город:
Москва
ВУЗ:
Дата:
16 октября 2016г.

Технически и экономически обосновано применение фасонных отливок из титановых сплавов для изготовления силовых компонентов эндопротезов. Исследована кинетика взаимодействия литых образцов из сплава ВТ5 с водородом. Разработаны технологические схемы и режимы термоводородной обработки, обеспечивающие формирование мелкодисперсной структуры и высокого комплекса механических свойств отливок.

The paper illustrates economical and technical reasons of applying of shaped castings made of titanium alloys for production of components of endoprosthesis. Kinetics of interaction between hydrogen and shaped castings made of titanium alloy BT5 has been investigated. Technological conditions of thermohydrogen treatment which provides fine microstructure and complex of high mechanical properties have been developed.

 

1 Работа выполнена в рамках Государственного задания высшим учебным заведениям в части проведения НИР №2895.14


Технически и экономически обоснованный выбор материалов является ключевой проблемой проектирования и производства эндопротезов и других имплантатов, предназначенных для временного или постоянного функционирования в организме человека. При безусловном выполнении требований биологической совместимости и инертности в агрессивных жидкостях организма титан и его сплавы в качестве материала для силовых элементов эндопротезов имеют целый ряд преимуществ перед нержавеющими сталями и кобальт-хром-молибденовыми сплавами: меньший удельный вес и модуль упругости, более высокую удельную прочность и пр. Специфические недостатки титановых сплавов, проявляющиеся при использовании их в некоторых элементах эндопротезов, например, узлах трения искусственных суставов, могут быть успешно устанены технологическими методами.

В то же время выбор конкретного титанового сплава из широкой номенклатуры также является весьма ответственным этапом проектирования изделий. В настоящее время для эндопротезирования преимущественно применяются технически чистый титан марки ВТ1-0, а для высоконагруженных элементов – сплавы Ti-6Al-4V (ВТ6) и Ti-6Al- 7Nb. Причем для обеспечения необходимых механических (особенно, усталостных) свойств исользуются деформированные полуфабрикаты (горячекатаный пруток, плита).

Возможность использования более экономичной технологии фасонного литья с последующей термоводородной обработкой (ТВО) показана в работе [5] на примере сплава ВТ6. Дальнейшее снижение себестоимости изделий возможно при использовании более дешевых сплавов, например Ti-5Al (ВТ5). Кроме более низкой стоимости фасонных отливок из этого сплава важным его преимуществом является более узкий, по сравнению со сплавом ВТ6, температурный интервал кристаллизации и, следовательно, меньшая склонность к образованию литейных дефектов (усадочных раковин, междендритных пор), микро- и макроликвации [2].

Однако в литом состоянии сплав ВТ5 даже после гомогенизирующего отжига и высокотемпературной газостатической обработки, в значительной степени устраняющих пористость и ликвацию, имеет неприемлемо низкую усталостную прочность (до 350 МПа). Повысить последнюю только термической обработкой (без применения пластической деформации) невозможно. В ряде работ [1, 4] нами была показана возможность кардинального преобразования неблагоприятной литой структуры сплава ВТ5Л и резкого повышения его прочностных и усталостных характеристик термоводородной обработкой.

Применение ТВО для обработки фасонных отливок ножки бедренного компонента эндопротеза  тазобедренного  сустава  требует  определения  конкретных  параметров термического цикла ТВО – концентраций водорода, температур наводороживающего и вакуумного отжига, скоростей охлаждения, времени выдержки на каждом этапе, температур ступеней вакуумного отжига и т.д. Это связано с необходимостью формирования регламентированной микроструктуры во всех зонах отливки, имеющей достаточно сложную геометрию и значительную разнотолщинность (от 2 до 5 мм).

Механизмы фазовых и структурных превращений, определяющие преобразование исходной крупнопластинчатой α-фазы в мелкодисперсную в процессе ТВО установлены и описаны в работе [3].

В настоящей работе на основе комплексных исследований кинетики насыщения отливок водородом, структурных преобразований в процессе наводороживающего и вакуумного отжигов, определения механических свойств разработан режим термоводородной обработки фасонных отливок ножек эндопротезов из сплава ВТ5Л.

Исследование кинетики наводороживания до концентраций 0,8%2, проведенные на литых образцах диаметром 15 мм и отливках ножки, дали следующие результаты (рис. 1).

 При начальном давлении газообразного чистого водорода в системе около 60 Кпа и исходной его концентрации в образцах 0,007% наиболее интенсивное поглощение на первом этапе происходит при температуре около 850ºC. В процессе насыщения образцов водородом максимальная скорость поглощения реализуется при более низких температурах, что связано с изменением соотношения количества α- и β-фаз и понижением давления водорода над сплавом. Однако снижение температуры до 700ºC и менее с целью ускорения процесса нецелесообразно, т.к. в этом случае не обеспечиваются равномерность распределения водорода по объему металла и однородность структуры в течение приемлемого времени. Окончание процесса наводороживания при температурах не ниже 780ºC обеспечивает равномерное распределение водорода, что установлено спектральным анализом разрезанных отливок и образцов.

  

2 Здесь и далее концентрация водорода указана в % по массе.

Исследования дегазации образцов, проведенные на литых прутках диаметром 15 мм и длиной до 180 мм, наводороженных до концентрации 0,8%, позволили установить следующее. Интенсивное выделение водорода при вакуумном отжиге начинается с температур 500-550ºC. Дегазация материала до безопасных концентраций водорода (0,006-0,009%) при температуре 800ºC достигается за 3,5 часа, при 750ºC – 4 ч., 700ºC – 4,5 ч. и 650ºC – 5 час. Проведенный спектральный анализ по различным сечениям прутков не выявил вакуумного отжига по сравнению с указанными величинами в сечении образцов и отливок более 10 мм концентрация водорода превышала допустимую.

На основании этих результатов и ранее проведенных исследований по влиянию температуры вакуумного отжига на параметры микроструктуры сплава ВТ5Л, была разработана наиболее простая и эффективная схема ТВО отливок из сплава ВТ5Л, обеспечивающая формирование мелкодисперсной микроструктуры (рис.2) и высокого комплекса свойств (табл. 1). Она включает:

·         насыщение водородом до средней концентрации 0,8% с начальной температурой 850ºС и с окончанием процесса при температуре β-области (около 780ºС), что обеспечивает полное растворение исходных крупных пластин α-фазы при сохранении размеров исходного β-зерна;

·         изотермическая выдержка при температуре 780ºС в течение 1 часа и охлаждение с печью (скорость охлаждения 0,05 К/с);

·         двухступенчатый вакуумный отжиг при температурах ступеней соответственно 500ºС (выдержка 1 час) и 750 ºС (4 часа).

 

Таблица 1 - Механические свойства литого титанового сплава ВТ5Л после ТВО

Состояние

 

образцов

σB,

 

МПа

σ0,2,

 

МПа

δ,

 

%

ψ,

 

%

KCV,

Np 10-4 цикл,

 

при σ=500МПа

литое

795

735

6,2

15,5

0,55

5,7

После ТВО

910

860

13,5

32,5

0,60

12,0

 

Проведенные исследования показали, что при температурах второй ступени ниже 750ºС время дегазации сплава неприемлемо велико (5 и более часов). С другой стороны, повышение температуры более 800ºС приводит к существенному укрупнению и коагуляции частиц α-фазы, что разупрочняет сплав. При этом степень дисперсности структуры при температуре вакуумного отжига 750ºС выше, чем при 800ºС, а продолжительность дегазации больше всего на 0,5 часа.

По предположенному режиму ТВО были обработаны фасонная отливка ножки из сплава ВТ5Л и образцы для испытаний кратковременных и усталостных свойств материала. После вакуумного отжига в отливке и образцах определяли остаточное содержание водорода и проводили металлографические исследования. Анализ полученных результатов показал, что распределение остаточного водорода по всем сечениям отливки и в образцах для испытаний не выходит за пределы допустимых значений и лежит в интервале 0,006÷0,009%.

Металлографические исследования отливки по различным сечениям (Рис. 2) позволили установить, что ее структура представлена мелкодисперсной α-фазой, а исходные β-зерна имеют тонкую α-«оторочку». Небольшое различие в размерах структурных составляющих по сечениям отливки связано с неравномерностью охлаждения «массивных» и «тонких» частей отливки.


Микроструктура образцов для механических испытаний более однородна и представлена мелкодисперсной α-фазой и тонкой α-«оторочкой» по границе бывшего β- зерна (см. рис. 2б). Такая структура позволяет получить достаточно высокий уровень прочностных, пластических свойств и ударной вязкости (см. табл. 1).

Сравнительные механические испытания образов показали (см. табл. 1), что ТВО по разработанному режиму приводит к значительному повышению пределов прочности и текучести (на 15-20%); пластических характеристик (почти на 50%) при сохранении удовлетворительной ударной вязкости.

Проведенные сравнительные испытания на малоцикловую усталость (на базе 105 циклов, схема – чистый изгиб с вращением, R=-1, f=100Гц) исходных литых образцов с преобразованной структурой показали, что ТВО повышает усталостные характеристики почти в 2 раза по сравнению с исходным литым состоянием.

Проведенные исследования являются важным этапом разработки общей технологии производства и обработки ножек бедренного компонента эндопротеза, которая включает фасонное литье заготовок, высокотемпературную газостатическую обработку, ТВО, механическую обработку и, при необходимости, специальную обработку поверхности, направленную на повышение антифрикционных свойств.

Кроме того ТВО может быть использована при формировании поверхностного слоя с регламентированной пористостью (например, из титана ВТ1-0),обеспечивающего надежную вторичную фиксацию эндопротеза в костном канале за счет врастания костной ткани в открытые поры.

Окончательный выбор параметров ТВО, естественно, должен производиться с учетом изменения структуры и свойств на всех технологических этапах, а также минимизации стоимости изделий.

Результаты получены при поддержке гранта Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области металлургии.

Список литературы

 

1.      Ilyin A.A., Mamonov A.M. Thermohydrogen Treatment of Casted Titanium Alloys.// Journal of Aeronautical Materials, (China), 1992, v.2. – p. 4-5. 

2.      Бочвар Г.А., Яновская Н.В. Влияние высокотемпературной газостатической обработки на процесс формирования структуры и механических свойств литых титановых сплавов. // Титан. 1993, №1. – с. 21-23.

3.      Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. – М.: Наука, 1994. – 304 с.

4.      Ильин А.А., Мамонов А.М., Коллеров М.Ю. Научные основы и принципы построения технологических процессов термоводородной обработки титановых сплавов. // Металлы (РАН), 1994. №4. – с. 157-168

5.      Надежин А.М., Скворцова С.В., Петров Л.М., Трифонов А.В. Износостойкость титанового сплава ВТ6 при трении с высокомолекулчрным полиэтиленом в трибологической паре шарнирного компонента тазобедренного сустава. / Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского. Вып. 3 (75). – М.: Изд-во «ЛАТМЭС», 2000. – с. 45-48.