CC BY
1
УДК 621.365.52, 620.192.424
Л.А. Гулиева, В.А. Кошуро, А.А. Фомин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРИСТЫХ ТИТАНОВЫХ БЛОКОВ
МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ АДДИТИВНЫМ МЕТОДОМ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ИНДУКЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Аннотация. В работе приводились исследования микроструктуры и распределение микротвердости по сечению пористых титановых блоков, сформированных селективным лазерным сплавлением и подвергнутых индукционной термической обработке при токе индуктора 1900-2880 А, температуре 800-1050° С и длительности процесса 120-600 с. В результате термического воздействия до 34-35 вес.%. увеличивалось содержание кислорода в поверхностном слое, а также формировались оксидные кристаллы размером от 150 мкм. Наибольшее влияние на размер структурных элементов оказывала длительность процесса. Исходные блоки характеризовались неравномерной микротвердостью по сечению, зарегистрированы перепады микротвердости почти в 300 HV049. Проведение термической обработки позволило снизить различия микротвердости до 50 HV049.
Ключевые слова: титан, пористый блок, индукционно-термическая обработка, микротвердость
L.A. Gulieva, V.A. Koshuro, A.A. Fomin
STUDY OF POROUS TITANIUM BLOCKS FOR MEDICAL PURPOSE,
FORMED BY THE ADDITIVE METHOD AND SUBSEQUENT INDUCTION THERMAL TREATMENT INDUCTION THERMAL
TREATMENT
OF POROUS TITANIUM BLOCKS FOR MEDICAL PURPOSE FORMED BY THE ADDITIVE METHOD
Abstract. The work presented studies of the microstructure and distribution of microhardness over the cross-section of porous titanium blocks formed by selective laser melting and subjected to induction heat treatment at an inductor current of 1900-2880 A, a temperature of 800-1050° C and a process duration of 120-600 s. As a result of thermal exposure up to 34-35 wt.%. the oxygen content in the surface layer increased, and oxide crystals with a size of 150 ¡m or more were formed. The duration of the process had the greatest influence on the size of the structural elements. The initial blocks were characterized
by uneven microhardness across the cross-section; differences in microhardness of almost 300 HV0.49 were recorded. Heat treatment made it possible to reduce the differences in microhardness to 50 HV0.49.
Keywords: titanium, porous block, induction heat treatment, microhardness
Введение
В последнее время в ортопедии и хирургии выросла потребность в компактных материалах (в виде блоков), позволяющих объемно замещать поврежденную ткань или ускорять ее регенерацию. Костные блоки должны характеризоваться остеокондуктивными, а в идеальном случае - остеоиндуктивными свойствами и состоять из биосовместимого материала, по структурно-механическим свойствам схожего с костной тканью [1].
Подобные конструкции изначально производились из ауто-, алло- и ксенообъектов. Костные блоки из искусственных материалов (кальцийфосфатные керамики, композиты, полимеры, биосовместимые металлы и сплавы) становятся более востребованными с учетом развития аддитивных технологий и, соответственно, появления возможности производить персонализированные имплантируемые конструкции, в том числе высокопористые блоки (scaffold) для замещения дефектов костной ткани [2].
Известные аддитивные методы, например стереолитография (SLA), селективное лазерное сплавление (SLM), селективное лазерное спекание (SLS), сплавление электронным лучом (EBM), экструзия материалов (ME) позволяют формировать твердые тела сложной геометрии с регулируемыми структурными (размер пор, суммарная пористость) и механическими (прочность, модуль упругости, твердость) параметрами. В настоящее время прослеживается тенденция к обеспечению механических характеристик костных блоков за счет подбора параметров структуры, а не последующей термической или иной обработки. Например, процессы моделирования и экспериментальные исследования позволили установить, что за счет регулирования общей пористости (от 68,46 до 90,98 %) и формы зерен (при среднем размере пор 450700 мкм) можно получить SLM-блоки из Ti-6Al-4V со свойствами (модуль упругости 10,9 ГПа, предел прочности 236,34 МПа, проницаемость 12,3x10-8 м2 и коэффициент концентрации напряжений 5,07), близкими к костной ткани [3]. Процессы SLM и аналогичные имеют ряд особенностей, которые приводят к возникновению дефектов микроструктуры готового изделия, что обуславливает необходимость корректировки конструкции на этапе проектирования или введение дополнительных технологических операций [4]. Также при SLM возникают: внутренние напряжения, трещины, поры, неравномерность фазового состава (если применяется материал типа Ti-6Al-4V, в котором происходят превращения a+P^P^-Hquid^P^-a+p/a'), что объясняет высокую анизотропию свойств готовых изделий [5].
Рациональным методом регулирования механических свойств металлических изделий является термическая обработка. Например, для блоков из Ti-6A-l4V согласно требованиям GJB 3763А-2004 предлагается после SLM проводить отжиг в вертикальной трубчатой печи с нейтральной атмосферой со скоростью нагрева примерно 5° С/мин при 600° С в течение 60 минут или полный отжиг при 840° С в течение 30 мин с последующим печным охлаждением [6].
Длительные процессы термической или иной обработки значительно увеличивают стоимость конечного изделия. Более рациональным является использование индукционной термической обработки (ИТО), которая, вероятно, не только позволит регулировать механические свойства аддитивной конструкции, но и сформировать на поверхности наноразмерные оксидные структуры [7]. Поэтому цель данной работы заключалась в исследовании поверхностной структуры и распределения микротвердости по сечению пористого 8ЬМ-блока после ИТО.
Методология экспериментальных работ
В исследованиях применялись образцы, конструктивно выполненные в виде цилиндров диаметром 14 мм, высотой 14 ± 0,5 мм. По боковой поверхности и на торцах были предусмотрены отверстия 0,4 и 0,8 мм с шагом 1,6 мм (рис. 1 а).
а) .Л-%
I
Рис. 1. Модель экспериментального образца (а, б) и 8ЬМ-блок, изготовленный по данной модели (в)
Титановые блоки формировались SLM методом из порошка титана марки ВТ6 (Ti-6Al-4V) на 3D-принтере «AddSol D520». Для первичной оценки обрабатываемости резанием, снижения прочности при испытании на сжатии и более интенсивного протекания процессов окисления в блоках формировалось осевое отверстие диаметром 10 мм. Согласно оценке модели в среде SolidWorks (рис. 2 б) осевое сквозное отверстие позволило снизить массу с 6,19 до 3,4 г, объем с 1,37 до 0,77 см3 при незначительном снижении площади поверхности (с 37,07 до 20,84 см2).
Конструкция разрабатывалась с учетом результатов анализа научно-технической литературы. После формообразования образцы подвергались ультразвуковой очистке в водном растворе этилового спирта с последующей сушкой на воздухе (рис. 1 в).
ИТО титановых блоков проводилась с использованием установки «ВЧ-15» в кислородосодержащей (воздушной) атмосфере при нормальном давлении. Для
проведения термической обработки образцы размещались в рабочей зоне трех виткового индуктора высотой 24 мм и внутренним диаметром 33 мм (рис. 2). ИТО проводился при токе индуктора 1900-2880 А, обеспечивающем нагрев блоков до температуры (Т, °С) 800-850, 950-1050 и длительности процесса (т, с) 120, 300, 600 секунд.
Рис. 2. Процесс ИТО титановых SLM-блоков
Структура поверхности исследовалась методами оптической и растровой электронной микроскопии с использованием оптической системы микротвердомера «ПМТ-3» и электронного микроскопа «MIRA II LMU». Равномерность микротвердости по сечению блоков и соответственно равномерность распределения внутренних напряжений определялись по поперечным шлифам с шагом от 50 мкм (рис. 3, 4) на твердомере «ПМТ-3м» при нагрузке на индентор 0,49 Н (50 гс).
Рис. 3. Схема измерения микротвердости по поперечным микрошлифам исходных титановых SLM-блоков
Рис. 4. Схема измерения микротвердости по поперечным микрошлифам титановых SLM-блоков после формирования осевого отверстия и ИТО
Результаты исследований
Процесс 8ЬМ позволил изготовить из титана ВТ6 пористый блок соответствующей геометрии (рис . 1 а). Блоки формировались из отдельных сильно проплавленных частиц, на границе которых не наблюдались дефекты в виде трещин и сколов (рис. 5 а). Визуализировалось значительное количество остаточного, не проплавленного после печати порошкового материала в виде сферических частиц размером до 40 мм, скопившихся в большинстве случаев в каналах образцов (рис. 5 б). Оставшийся порошковый материал в дальнейшем удалялся ультразвуковой обработкой.
Рис. 5. Микроструктура (а) поверхности 8ЬМ-блока и не сплавленный порошок в канале пористого блока (б)
Процесс ИТО приводил к окислению образцов (рис. 6). Интенсивность процесса роста оксидных кристаллов зависела в большей степени от длительности процесса оксидирования, а не от температуры обработки. Например, при температуре 800-850° С и длительности обработки 600 секунд на поверхности титана образуются оксидные кристаллы от 200 нм (рис . 6).
Большая температура и меньшая длительность ИТО приводят к образованию меньших по размеру оксидных кристаллов, размером до 150-200 нм.
Содержание кислорода в поверхностном слое материала составляло примерно 34-35 вес.%.
Рис. 6. Микроструктура титанового блока после ИТО при 800-850° С и длительности обработки 10 минут
Процесс ИТО приводил не только к росту оксидных структур, но и к выравниванию микротвердости по сечению, таким образом, вероятно, происходил отжиг напряженной после БЬМ структуры блока.
Исходные блоки характеризовались перепадами микротвердости почти в 300 ^0,49. Проведение термической обработки позволило снизить различия микротвердости до 50 ^0,49 (табл. 1).
Наличие осевого отверстия способствовало незначительному увеличению разброса микротвердости по сечению блока (табл. 2).
Таблица 1
Распределение микротвердости по сечению 8ЬМ-блока исходной конструкции (измерения проводились согласно схеме на рис. 3).
Тип обработки Участок Микротвердость ^0,49 металла на разной глубине от боковой поверхности БЬМ блока
50 мкм 150 мкм 250 мкм 500 мкм 1000 мкм 2000 мкм 3000 мкм 4000 мкм 5000 мкм
Без обработк и 1 441±26 438±62 393±20 415±35 468±42 422±47 423±43 440±25 425±43
2 261±47 277±32 228±44 237±37 169±35 218±29 271±34 251±38 239±31
3 259±54 244±67 224±51 218±27 249±28 230±38 232±20 229±47 208±37
ИТО при 800850° С, 300 с 1 221±50 248±35 274±43 270,4±19 242±33 259±32 256±21 247±24 273±49
2 250±24 231±39 240±18 233±49 273±30 259±25 272±31 230±35 235±36
3 259±47 270±54 254±31 216±35 269±18 265±38 253±36 253±36 255±36
Таблица 2
Распределение микротвердости по сечению 8ЬМ-блока с осевым отверстием после ИТО (схема измерения изображена на рис. 4)
Тип обработки Участок Микротвердость ^0,49 металла на разной глубине от боковой поверхности БЬМ блока
50 мкм 150 мкм 250 мкм 500 мкм 1000 мкм 1850 мкм 1950 мкм
Сверление, ИТО при 800850° С, 300 с 1 276±23 236±18 249±30 246±14 230±32 277±10 244±10
2 268±49 254±25 231±47 257±44 227±63 243±45 229,39±10
3 305±26 223±30 246±41 250±22 237±46 204±46 -
Выводы
Согласно полученным данным технология БЬМ позволяет изготавливать титановые пористые изделия со сквозными каналами заданного размера. Последующая индукционно-термическая обработка приводит к выравниванию микротвердости по сечению блока и позволяет формировать на поверхности титановых БЬМ-блоков оксидные слои, характеризуемые наличием оксидных кристаллов, размер которых зависит от длительности процесса.
Список источников
1. Lichte P., Pape H.C., Pufe T., Kobbe P., Fischer H. Scaffolds for bone healing: concepts, materials and evidence // Injury. - 2011. - V. 42. - №. 6. - P. 569-573.
2. Qu H. Additive manufacturing for bone tissue engineering scaffolds // Materials Today Communications. - 2020. - V. 24. - P. 101024.
3. Arjunan A., Demetriou M., Baroutaji A., Wang C. Mechanical performance of highly permeable laser melted Ti6Al4V bone scaffolds // Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. - 2020. -V. 102. - P. 103517.
4. Liu F., Zhang D. Z., Zhang P., Zhao M., Jafar S. Mechanical properties of optimized diamond lattice structure for bone scaffolds fabricated via selective laser melting // Materials. - 2018. - V. 11. - № 3. -P. 374.
5. Liu S., Shin Y. C. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review // Materials & Design. - 2019. - V. 164. - P. 107552.
6. Liang H., Yang Y., Xie D., Li L., Mao N., Wang C., Tian Z., Shen L. Trabecular-like Ti-6Al-4V scaffolds for orthopedic: fabrication by selective laser melting and in vitro biocompatibility // Journal of Materials Science & Technology. - 2019. - V. 35. - № 7. - P. 1284-1297.
7. Fomin A. Superhard titania coatings produced on titanium using induction heat treatment // Ceramics International. - 2019. - V. 45. - № 7. - P. 8258-8264.
Сведения об авторах
Гулиева Лейла Адилевна -
Leila A. Gulieva -
магистрант кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Master student, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Кошуро Владимир Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Vladimir A. Koshuro -
PhD (Engineering Science), Associate Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical
University of Saratov
Фомин Александр Александрович - доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия»
Aleksandr A. Fomin -
Dr. Sc. Tech., Head of Department of Materials Science and Biomedical
Саратовского государственного технического Engineering, Yuri Gagarin State университета имени Гагарина Ю.А. Technical University of Saratov
