Наноструктурный титан биомедицинского назначения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Наноструктурный титан биомедицинского назначения

Ю.П. Шаркеев, А.Д. Братчиков, Ю.Р. Колобов, А.Ю. Ерошенко, Е.В. Легостаева

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Представлены результаты исследования микроструктуры и механических свойств наноструктурного титана, полученного методом многоступенчатого всестороннего прессования с последующей прокаткой. Многоступенчатое всестороннее прессование в интервале температур 1 023-623 К со сменой оси деформации формирует в заготовке титана субмикрокристаллическую зеренно-субзереную структуру с характерным размером 200 нм. Последующая пластическая деформация прокаткой заготовок субмикро-кристаллического титана обеспечивает формирование наноструктурного состояния с размером зерна до 100 нм по всему объему заготовки и повышает механические свойств титана до свойств высокопрочных титановых сплавов (ВТ-6).

Nanostructured titanium for biomedicine

Yu.P. Sharkeev, A.D. Bratchikov, Yu.R. Kolobov, A.Yu. Eroshenko, E.V. Legostaeva

The results of investigation of microstructure and mechanical properties of nanostructured titanium produced by the method of multiple all-round pressing are presented. The multiple all-round pressing with changing of the deformation axis in temperature range of 1 023-623 K allows the formation of submicrocrystalline grain-subgrain structure with typical size 200 nm in titanium work-pieces. The following plastic deformation by rolling provides the formation of a bulk nanostructured state with grain size up to 100 nm and increases mechanical properties of titanium up to titanium alloy (VT-6).

1. Введение

Биологически совместимый, имеющий малый удельный вес титан широко используется в медицине в качестве материала для ортопедических и стоматологических имплантатов. Однако интенсивное использование титана в медицине сдерживается его низкими прочностными свойствами. Одним из возможных путей повышения механических свойств титана является формирование высокопрочного состояния за счет создания по всему объему субмикрокристаллического/нано-структурного состояния воздействием интенсивной пластической деформации. В настоящее время разработан ряд методов интенсивной пластической деформации, позволяющих получать субмикрокристалличес-кую/наноструктурную структуру в заготовках, прежде всего, чистых металлов [ 1, 2]. Метод кручения под высоким давлением позволяет получать наноструктурное состояние с размером зерна менее 100 нм в образцах титана толщиной не более нескольких сотен микрометров. Метод равноканального углового прессования пригоден для формирования субмикроструктуры в заготовках титана диаметром до 40 мм. Третий метод — это метод

многоступенчатого всестороннего прессования с понижением температуры и многократной сменой оси деформации [3]. При этом заготовки могут достигать значительных размеров, например, в [3] сообщается о заготовках с размерами до 40x40x60 мм. Что касается титана ВТ1-0, последние два метода позволяют получать в заготовках субмикрокристаллическое состояние с размером зерна 200-300 нм. Для получения наноструктурного состояния в таких заготовках необходима дополнительная механическая обработка, например прокатка или волочение. Отметим, что первые два метода требуют сложного дорогостоящего оборудования. Метод многоступенчатого всестороннего прессования с многократной сменой оси деформации более перспективен, так как он достаточно прост, легко воспроизводим и не требует больших затрат. Получаемые заготовки могут быть использованы для изготовления имплантатов, применяемых в ортопедии и травматологии.

Целью данной работы являлась модификация метода многоступенчатого всестороннего прессования для получения наноструктурного состояния в объемных заготовках из технически чистого титана ВТ1-0 и иссле-

© Шapкeeв Ю.П., Братчиков A-Д., Колобов Ю.Р., Ерошєнко A-Ю., Лeгocтaeвa E.B., 2004

! Направление ! последнего Продольное 2.1' прессования сечение

Рис. 1. Схематическое изображение направления координатных осей в продольном и поперечном сечениях образца относительно направления последнего прессования

дование микроструктуры и свойств полученного суб-микрокристаллического и наноструктурного титана.

2. Объект исследований и методика эксперимента

В качестве исходного материала был выбран технически чистый титан ВТ1-0 (состав мас. %: 99.58 Тц 0.120; 0.18Fe; 0.07С; 0.04К; 0.01Н). На первом этапе для формирования субмикрокристаллического состояния заготовки титана были подвергнуты многоступенчатому всестороннему прессованию. Прессование проводилось в специально изготовленной пресс-форме, что позволило повысить эффективность данного метода за счет более интенсивного измельчения зерна в стесненных условиях. Многоэтапное изотермическое прессование проводилось в интервале скоростей 10-3-10-2 с-1 при последовательном ступенчатом понижении температуры в интервале от 1023 до 623 К. Каждый цикл при заданной температуре включал трех или четырехкратное прессование со сменой оси деформации. Размер полученных заготовок составил 20 х20х 30 мм. На втором этапе заготовки после многоступенчатого всестороннего прессования подвергались пластической деформации прокаткой. Прокатка проводилась либо в ручьевых валках, либо в обычных валках. Величина суммарной деформации при прокатке достигала 80-85 %.

Микроструктуру субмикрокристаллического/нано-структурного титана исследовали с помощью просвечивающей электронной микроскопии. В качестве характеристики механических свойств титановых заготовок была выбрана микротвердость, как наиболее простая и не требующая больших затрат. Измерение микротвердости проводили на микротвердомере ПМТ-3М1 при нагрузке на индентор (пирамидка Виккерса) 1 Н. Исследование микроструктуры и измерение микротвердости проводилось в разных сечениях заготовки. Схематическое изображение заготовки с выбранными сечениями показано на рис. 1. Измерение микротвердости проводилось по двум координатам в направлении от центра к краю заготовки с шагом 500 мкм: вдоль осей ОХ и ОУ для продольного сечения и вдоль осей ОХ и ОZ для поперечного сечения.

3. Результаты эксперимента

Микроструктура субмикрокристаллического титана, полученного методом многоступенчатого всестороннего прессования с понижением температуры в интервале от 1023 до 623 К, достаточно неоднородна по объему заготовки. Наименьший размер зеренно-субзеренной структуры наблюдается в центральной части заготовки. При удалении от центральной части заготовки к ее периферии средний размер зерно-субзерненной структуры растет. При этом разброс значений этой величины минимален в центре и растет к периферии заготовки. На рис. 2, а, б представлены характерные электронно-микроскопические изображения микроструктуры субмик-рокристаллического титана, полученные для тонкой фольги, расположенной в плоскости поперечного сечения заготовки (см. рис. 1). На изображениях структуры в объеме зерен присутствуют контуры экстинции, которые указывают на наличие внутренних напряжений. На микродифракционных картинах наблюдается большое количество рефлексов, расположенных по концентрическим окружностям. Высокая плотность точечных рефлексов при малом размере селекторной диафрагмы свидетельствует о формировании зеренно-субзеренной структуры с малым размером зерна. Отметим, что некоторые рефлексы имеют существенное азимутальное размытие, связанное, прежде всего, с высоким уровнем внутренних напряжений. В центральной части поперечного сечения заготовки субмикрокристаллического титана формируется высокодисперсная микроструктура (рис. 2, а). Средний характерный размер зеренно-суб-зеренной структуры оказался равным 90 нм, что соответствует наноструктурному состоянию. При удалении от центра к краю заготовки указанная величина растет до 200-300 нм (рис. 2, б). В продольном сечении заготовки микроструктура субмикрокристаллического титана более однородна. Однако характерный размер зерен-но-субзеренной структуры в центральной части значительно больше и составляет 150 нм (рис. 2, в). В направлении от центра к краю заготовки размер зеренно-субзеренной структуры изменяется незначительно, на краю заготовки он равен 200 нм. Различие в размере зерна для указанных сечений говорит о том, что зерна и субзерна имеют неравноосную форму и вытянуты вдоль одного направления.

Проблема неоднородности субмикрокристалличес-кой/наноструктурной структуры в заготовках титана решается за счет применения пластической деформации, например, прокаткой. Электронно-микроскопические исследования показали, что прокатка заготовок субмик-рокристаллического титана до 85 % приводит к формированию достаточно однородной микроструктуры с характерным размером зеренно-субзеренной структуры менее 100 нм (рис. 2, г) по всему объему заготовки. Прокатка приводит и к изменению формы зерен. Наблюда-

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения и соответствующие микродифракционные картины субмикрокристаллического/ наноструктурного титана, полученного методом многоступенчатой всесторонней ковки, в различных сечениях образца: поперечное сечение, центр образца (а); поперечное сечение, край образца (б); продольное сечение; центр образца (в); продольное сечение относительно направления прокатки в ручьевых валках (г)

ется преимущественная вытянутость зеренно-субзерен-ной структуры вдоль направления прокатки. Микроструктура приобретает квазиполосовой характер, а микродифракционные картины становятся кольцевыми.

Таким образом, метод многоступенчатого всестороннего прессования позволяет получать высокодисперсную микроструктуру в титане ВТ1-0. Однако заготовки титана, полученные методом всесторонней ковки, имеют неоднородную субмикрокристаллическую структуру по объему заготовки. Дополнительная пластическая деформация прокаткой в ручьевых валках до 85 % заготовок субмикрокристаллического титана формирует наноструктурное состояние с однородной структурой по всему объему заготовки.

Исследование микротвердости субмикрокристалли-ческого/наноструктурного титана, полученного методом всесторонней ковки, в продольном и поперечном сечениях показало, что она неоднородна по объему заготовки. Микротвердость максимальна в центральной части заготовки и уменьшается при удалении от центральной части заготовки к ее периферии. Характерные зависимости микротвердости от расстояния до центра образца представлены на рис. 3. Микротвердость, соответствующая технически чистому титану ВТ 1-0, указана стрелкой. Из рисунка видно, что максимальное значение

микротвердости достигается в центральной части заготовки, она равна 3 000 МПа.

При удалении от центра к краю заготовки микротвердость монотонно падает до 2 500 МПа. Среднее значение микротвердости составляет 2 800 МПа.

Пластическая деформация прокаткой в ручьевых валках заготовок субмикрокристаллического титана позволяет повысить величину микротвердости до 3200 МПа (рис. 4). Полученные значения микротвер-

.

- ДА

□ □ й д □ д-'г □ д

3- Д""—Е из А

□ □ □ 2 Д^"""^^ д

' А ДА А 1

- И ВТ1-0 А

0 4 8 12 X, мм

Рис. 3. Распределение микротвердости в поперечном сечении образца субмикрокристаллического титана, полученного всесторонней ковкой: 1 — ось ОХ; 2 — ось ОУ

Рис. 4. Распределение микротвердости в поперечном сечении образца субмикрокристаллического титана, полученного всесторонней ковкой после прокатки в ручьевых валках: 1 — ось ОХ; 2 — ось OZ

дости близки к высокопрочным титановым сплавам, например, для сплава ВТ-6 величина микротвердости равна 3 500 МПа [4]. Кроме того, после дополнительной прокатки микротвердость субмикрокристаллического/ наноструктурного титана практически не меняется с удалением от центра заготовки к периферии, как в продольном, так и в поперечном сечениях заготовки (рис. 4).

Таким образом, наноструктурный титан, полученный методом многоступенчатого всестороннего прессования с последующей прокаткой, имеет свойства, близкие к титановым сплавам (ВТ-6), и может быть успешно использован для изготовления имплантатов для ортопедии, травматологии. Нанесение биоактивных покрытий на поверхность титановых имплантатов позволяет существенно улучшить их биологические свойства. Для этих целей хорошо зарекомендовали себя кальций-фосфатные покрытия, минеральный состав которых близок к составу костной ткани [3]. Результаты исследования биокерамических кальций-фосфатных покрытий, нанесенных на наноструктурный титан, представлены в работе [5].

4. Заключение

Интенсивная пластическая деформация, реализованная в модифицированном методе многоступенчатого прессования в пресс-форме при понижении температуры в интервале 1023-623 K и 3-4-х этапной сменой оси деформации при заданной температуре позволяет получать заготовки титана размером 20х 20х 30 мм в субмикрокристаллическом состоянии с размером зерна до 200 нм и менее. Последующая прокатка заготовок субмикрокристаллического титана при комнатной температуре повышает однородность микроструктуры и переводит ее в наноструктурное состояние по всему объему заготовки. Полученные заготовки наноструктурного титана имеют микротвердость, близкую к высокопрочным титановым сплавам (ВТ-6). Размеры заготовок титана в наноструктурном состоянии имеют достаточные размеры для изготовления различных имплантатов (спиц, пластин, шурупов и т.д.) для ортопедии, травматологии и стоматологии.

Работа выполнялась при финансовой поддержке по Программе Президиума РАН «Фундаментальные науки — медицине», проект 11.1.

Литература

1. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И, Павлик Д.А., Малышев В. Ф. Процессы пластического структурообразования металлов. - Минск: Навука i тэхшка, 1994. - 232 с.

2. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. - Новосибирск: Наука, 2001. - 232 с.

3. Малышева С.П., Салищев Г.А., Галлеев Р.М., Даниленко В.Н., Мышляев М.М., Попов А.А. Особенности изменения структуры и механических свойств субмикрокристаллического титана при деформации в интервале температур (0.15 - 0.45)7^ // Физика металлов и металловедение. - 2003. - Т. 95. - № 4. - С. 98-105.

4. Цвиккер У. Титан и его сплавы / Пер. с нем. - М.: Металлургия,

1979. - 512 с.

5. Шашкина Г.А., Иванов М.Б., Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Колобов Ю.Р., Хлусов И.А., Поженько Н.С., Карлов А.В. Биокерамические покрытия с высоким содержанием кальция для медицины // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - Спец. вып. - Ч. 2. - С. 123-126.