CC BY
33
||P "t^Z tl313.fm Page 40 Monday, October 28, 2013 11:18 AM ^^
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
УДК 669.295:621.78
ПОВЫШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТОСПОСОБНОСТИ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ ИЗ СПЛАВОВ ТИТАНА И НИКЕЛИДА ТИТАНА МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ*
М.Ю. Коллеров, докт. техн. наук, Д.Е. Гусев, канд. техн. наук,
Е.И. Орешко, А.В. Бурнаев, аспирант (МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3)
Рассмотрено механическое поведение сплавов на основе титана и никелида титана. Показано, что для материалов имплантатов, работающих совместно с биологическими тканями, оценку работоспособности необходимо проводить по критическим деформациям и напряжениям, определяющим предельные условия полного упругого или сверхупругого восстановления исходной формы при разгрузке.
Рассмотрено влияние термической обработки на структуру и критические деформации и напряжения модельных сплавов системы Ti—Nb, промышленных сплавов ВТ6 и ВТ16 и материала с памятью формы на основе никелида титана ТН1. Показано, что, управляя структурой материала, можно в широких пределах варьировать его характеристики работоспособности. Такая возможность показана на примере транспедикулярного фиксатора позвоночника с продольными -й^- балками из нержавеющей стали и сплавов ВТ6, ВТ16 и ТН1. "(i*)-
Ключевые слова: титановые сплавы, никелид титана, сверхупругость, критическая деформация, имплантат, термическая обработка.
Improvement of Performance Characteristics for Medical Titanium and Titanium Nickelide-Base Alloy Implants via Heat Treatment. M.Yu. Kollerov, D.Ye. Gu-sev, Ye.I. Oreshko, A.V. Burnaev.
Mechanical behaviour of titanium and titanium nickelide-based alloys is discussed. It is shown that performance evaluation for the implant materials working together with biological tissues is to be given by ultimate strains and stresses determining the limiting conditions for the full elastic or superelastic initial shape recovery at unloading.
The effect of heat treatment on the structure and ultimate strains and stresses for the model Ti-Nb system based-alloys and VT6 and VT16 industrial alloys as well as TN1 titanium nickelide-based shape memory material is discussed. It is shown that one can vary performance characteristics of a material in a wide range via controlling its structure. Such ability is illustrated by transpedicular spinal fixings with longitudinal beams made of stainless steel or VT6, VT16 and TN1 alloys.
Key words: titanium alloys, titanium nickelide, superelasticity, ultimate strain, implant, heat treatment.
* Исследования проведены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 110300008.
Исследования выполнены с использованием оборудования ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» МАТИ.
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
Введение
В настоящее время основной подход при выборе материала и технологии его обработки для конкретной конструкции заключается в пересчете нагрузки, действующей на данную конструкцию, в напряжения и сравнении их с механическими свойствами материала -пределом текучести, временной прочностью, длительной прочностью, усталостной прочностью и т. п. Работоспособность конструкции оценивают, как правило, с точки зрения потери устойчивости формы по модулям упругости (Е, й) материала и напряжениям пропорциональности [1].
Однако в современных конструкциях зачастую применяют не только материалы с различными физико-механическими свойствами, но и материалы, значительно различающиеся по своему механическому поведению. Например, металлические и полимерные материалы при разных температурах и скоростях нагружения ведут себя неодинаково. Ситуация еще больше осложняется, когда конструкция работает в составе сложной системы из разнородных материалов, например имплантаты в окружении биологических структур [2]. В этих случаях необходимо оценивать совместную работоспособность различных материалов по другим критериям, применимым как к металлам и полимерам, так и к биологическим тканям.
Наиболее перспективными материалами для изготовления имплантатов являются сплавы на основе титана, обладающие как высокой коррозионной стойкостью и биологической инертностью, так и хорошим комплексом механических свойств [3]. Сплавы титана выгодно отличаются по этим характеристикам, а также по удельному весу и низкому модулю упругости от применяемых в медицине сплавов кобальта и нержавеющей стали. В последние годы для изготовления имплантатов начали использовать сплавы на основе никелида титана, обладающие эффектом памяти формы и сверхупругостью и по своему механическому поведению приближающиеся к поведению биологических тканей [2]. В этих материалах варьированием химического состава и технологии обработки можно значительно изменять комплекс физико-механических и специаль-
ных свойств [4]. Однако оценка этих материалов в имплантируемых конструкциях по существующим международным стандартам, как правило, не выявляет их преимуществ перед нержавеющими сталями и кобальтовыми сплавами. Это связано с тем, что технические требования к имплантатам формируются из привычных понятий механических свойств конструкционных материалов, оценивая область их работоспособности только упругой деформацией и пределом текучести, не рассматривая возможность сверхупругой деформации, приближающей механическое поведение материала к поведению биологических тканей. Такой подход затрудняет оптимизацию свойств материала технологическими методами и не позволяет обеспечить наиболее полное удовлетворение медико-технических требований кимплантатам.
Поэтому в данной работе предпринята попытка оценить новые критерии работоспособности функциональных материалов для имплантации, методы их определения и повышения путем оптимизации режимов термической обработки.
Объекты и методы исследования
В качестве объектов исследования использовали образцы горячекатаных прутков модельных сплавов системы И-ЫЬ и промышленных сплавов ВТ6 и ВТ16. Выбор этих материалов обусловлен тем, что сплавы ниобия являются типичными представителями системы И-р-стабилизатор и позволяют термической обработкой сформировать в их структуре широкий набор метастабильных фаз [5]. Кроме того, эти сплавы являются основой для разработки «низкомодульных» материалов для медицинских изделий. Сплав ВТ6 наиболее часто используется для изготовления медицинских имплантатов, а сплав ВТ16 также разрешен для медицинского применения и перспективен как технологичный и высокопрочный материал. Сплав ТН1 на основе нике-лида титана используется для изготовления имплантатов, меняющих свою форму при нагреве до температуры тела человека [6] и обеспечивающих развитие дистракции или компрессии между соединяемыми структу-
tl313.fm Page 42 Monday, October 28, 2013 11:18 AM
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
Таблица 1 Химический состав исследованных титановых сплавов
Сплав Содержание легирующих элементов и примесей
Al V Mo Si C N O H
ВТ6 ВТ16 5,3 2,5 4,5 4,5 5,0 0,15 0,15 0,1 0,1 0,05 0,05 0,2 0,15 0,015 0,015
Примечание. Остальное - титан.
Таблица 2 Химический состав исследованных плавок сплава ТН1
Обозна- Содержание легирующих элементов и примесей
чение Ni Fe Si Co C N O H
Партия 1 Партия 2 54.7 55.8 0,1 0,05 0,1 0,01 0,01 0,016 0,023 0,012 0,009 0,006 0,16 0,013 0,0017 0,0011
Примечание. Остальное - титан.
сплавов определяли при сжатии (осадке) на установке TIRAtest 2300. Механическое поведение сплава на основе никелида титана исследовали при кручении в диапазоне температур 5-100 °С. Кроме того, проводили испытания по АБТМ П717 транспедику-лярного аппарата для фиксации позвоночника производства ЗАО «КИМПФ» (рис. 1) с винтами из сплава ВТ6 и продольными балками из нержавеющей стали Х16Н10Т и сплавов ВТ6, ВТ16 и ТН1.
рами организма. Химический состав* промышленных титановых сплавов и двух плавок сплава ТН1, полученных комбинированным методом (гарнисажная плавка и вакуумно-ду-говой переплав)и плавкой в установке с холодным тиглем, приведен в табл. 1 и 2.
Структуру образцов определяли металлографическим и рентгеноструктурным анализом. Механические свойства титановых
Рис. 1. Испытания транспедикулярного аппарата по стандартуASTM F1717
* Содержание компонентов сплава и примесей приведено в массовых процентах.
Результаты эксперимента и их обсуждение
В результате исследования структуры и механического поведения закаленных от температур р-области образцов сплавов системы Т1-ЫЬ было установлено, что в случае формирования в материале а"-фазы (ТМ7ЫЬ) или механически нестабильной р-фазы (Т1-30ЫЬ, Т1-38ЫЬ) на кривых сжатия выше предела текучести выявляется дополнительный перегиб , связанный с изменением меха -низма деформации. При малых деформациях (до 5-15 %) формоизменение образцов связано с развитием двойникования а"-мартенси-та или с его образованием из рм-фазы, а при больших деформациях - с интенсификацией формоизменения по механизму скольжения [7].
В интервале напряжений выше предела текучести и ниже дополнительного перегиба разгрузка образцов приводит к полному или частичному нелинейному восстановлению формы (рис. 2). Таким образом, в материале проявляется сверхупругая деформация. В результате этого максимальная упруго- или сверхупруговосстановленная деформация, названная критической екр, и отвечающие ей критические напряжения сткр могут значительно превосходить напряжения текучести материала и связанные с ними упругие деформации [8]. Их определение возможно при последовательном циклическом нагружении
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
ди МПа
900
600
300
3 > 1 2
г
У 1
900
600
300
0
20
0 20 40
ди МПа
60
40
60
4 6
/
V/ 1
Рис. 2. Диаграммы нагрузки и разгрузки закаленных образцов сплавов системы ТП-ЫЬ:
1 - ТМОЫЬ; 2 - ТМ7ЫЬ; 3 - Т1-23ЫЬ; 4 - П-ЗОЫЬ; 5 Т1-38ЫЬ; 6 - Т1-45ЫЬ
д, МПа
900
°кр 600
300
0 8кр 6
80, %
1,2
0,6
12
а
/
80 = 0,2 %
1 1 1
2 8 4
кр
Рис. 3. Диаграммы нагрузки и разгрузки закаленных образцов сплава ТП-ЗОЫЬ (а) и определения критической деформации по зависимости остаточной деформации 8о от наведенной 8н (б)
0
образцов с измерением остаточной деформации. При построении зависимости остаточной деформации 8о от наведенной 8н можно определить величину критической деформации 8кр по экстраполяции 8о, отвечающей статистически значимой величине 0,2 %. Значение критических напряжений акр снимается по кривой нагрузки образца при наведенной деформации, равной критической (рис. 3).
В тех случаях, когда в структуре материала формируется а'-мартенсит, ю-фаза или механически стабильная р-фаза, при нагружении образцов развивается практически только скольжение, и значения 8кр и <зкр не отличаются от предела текучести и максимальной величины упругой деформации (рис. 4).
Повышение значений 8кр и <зкр возможно и в промышленных титановых сплавах путем формирования в них структур, содержащих а"- или рм-фазы. Поэтому на следующем эта-
пе работы было исследовано влияние температуры нагрева под закалку на значения критических деформаций и напряжений сплавов ВТ6 и ВТ 16 (табл. 3).
Проведенные исследования показали, что при закалке от температур р-области в сплаве ВТ6 формируется а'-мартенсит, а в ВТ16 -а"-фаза, причем формоизменение последней при нормальной температуре протекает по механизму двойникования, обеспечивающему проявление сверхупругости. Снижение температуры нагрева под закалку в (а + Р)-области до критической приводит к появлению в структуре сплавов ВТ6 и ВТ16 механически нестабильной р-фазы, которая при нагрузке переходит в а"-фазу, а при разгрузке частично или полностью реализуется обратное мартенситное превращение. В соответствии с этим увеличивается критическая степень деформации, а критические напряжения сни-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
1000
900
800
700
с 600
500
ю
400
300
200
100
0
А
Окр /
\\
О0,2
10
20 30
№>, % вес.
40
50
ь*
4
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
СО кр
\
ч
10
20 30
МЫЬ, % вес.
40
50
Рис. 4. Влияние содержания ниобия на предел текучести Оо,2, критические напряжения Ор, максимальные упругие ву и критические вкр деформации сплавов системы Т—ЫЬ
Таблица 3
Влияние термообработки на фазовый состав, критические деформации и напряжения титановых сплавов ВТ6 и ВТ16
Сплав Термическая обработка, °С Фазовый состав 8кр, % Окр, МПа
Закалка от 1060 а' 0,9 750
Закалка от 980 а + а'' 1,1 700
ВТ6 Закалка от 940 а + Рм 1,2 700
Закалка от 900 а + Рм 1,1 750
Отжиг при 900 а + Р 1 850
Закалка от 860 а'' 1,2 550
Закалка от 800 а + а''+ рм 1,5 520
ВТ16 Закалка от 770 а + Рм 1,8 520
Закалка от 740 а + Рм 1,5 650
Отжиг при 800 а + Р 1,1 930
жаются. Экстремумы этих характеристик наблюдаются после закалки от температуры ниже критической на 10-20 °С. Следует отметить, что для сплава ВТ16 отмечается более высокая величина екр и меньшая сткр по сравнению со сплавом ВТ6, в котором объемная доля механически нестабильной р-фазы значительно ниже. Таким образом, в титановых сплавах можно достичь достаточно высоких значений критической деформации. Для этого они должны иметь структуру механически нестабильной р-фазы. Это обеспечивается использованием сплавов мартенситного или переходного класса с коэффициентом р-стабилизации, близким к единице (второй критической концентрации). В сплавах с более низкой концентрацией р-стабилизаторов получать необходимую структуру возможно закалкой от температур на 10-20 °С ниже критической Ткр.
Для сплавов на основе никелида титана увеличение критических значений деформации и напряжений возможно как за счет теплой и холодной пластической деформации, так и за счет термообработки, обеспечивающей дисперсионное упрочнение В2-фазы выделениями интерметаллидов типа ИзМд и [2, 4]. В обоих случаях происходит увеличение напряжений скольжения, до достижения которых формоизменение образцов из нике-лида титана происходит по механизмам мартенситного превращения или двойнико-вания. Исследования влияния химического состава и термообработки на екр и сткр сплавов на основе никелида титана позволили определить диапазон технологических возможностей управления этими характеристиками (табл. 4). Следует отметить, что наиболее высокими критическими значениями напряжений сплав ТН1 обладает в деформированном состоянии, что связано с повышением напряжений скольжения при высокой концентрации дефектов кристаллического строения. Протекание процессов полигонизации при отжиге в интервале температур 450-500 °С вызывает снижение сткр и повышение екр. Максимальные значения критической деформации достигаются в рекристаллизованном состоянии после отжига при 550 °С. В сплаве ТН1 с повышенным содержанием никеля на критических характеристиках сказывается выделение богатых
-Ф-
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
никелем интерметаллидов Т1зМ1д и ^№3. Их влияние связано с одновременным действием двух процессов: 1) дисперсионное упрочнение В2-матрицы частицами интерметаллидов повышает ее напряжения скольжения; 2) уменьшение содержание никеля в В2-мат-рице приводит к повышению температуры обратного мартенситного превращения и ее приближению к температуре испытаний. В результате первого процесса увеличивается
Таблица 4
Влияние химического состава и термообработки на фазовый состав, структурное состояние, критические деформации екр и напряжения ст™, эффективный модуль упругости £э< сплава ТН1
-эф
Темпе- Фазовый
Сплав ратура состав, 8кр, сткр, Еэф,
отжи- структурное % МПа МПа
га, °С состояние
— В2+Т12Ы1, 7,5 430 57
деформиро-
ванное
450 В2+Т12Ы1, 8,0 320 40
полигонизо-
ванное
500 В2+Т12Ы1, 8,4 270 32
Т1-54,7Ы1 полигонизо-
ванное
550 В2+Т12Ы1, 8,7 220 25
рекристалли-
зованное
700* В2+Т12Ы1, 8,3 210 25
рекристалли-
зованное
— В2+Т12Ы1, 7,9 460 58
деформиро-
ванное
450 В2+Т12М13+Т12Ы1, 8,2 260 32
полигонизо-
ванное
500 В2+Т12М13+Т12Ы1, 8,8 250 28
Т1-55,8Ы1 полигонизо-
ванное
550 В2+Т12Ы1, 9,0 320 36
рекристалли-
зованное
700* В2+Т12Ы1, 8,5 360 42
рекристалли-
зованное
Вакуумный отжиг.
сткр, а второй - снижает напряжения образования мартенсита, но увеличивает деформационное упрочнение за счет дисперсных выделений интерметаллида, препятствующих росту мартенситных кристаллов. Сочетание этих факторов приводит к неоднозначной зависимости екр и сткр от содержания никеля в сплаве ТН1. Можно в общем виде утверждать, что в сплавах с высокой концентрацией никеля термической обработкой можно достичь больших критических характеристик.
Для описания механического поведения сплавов на основе титана и никелида титана, в которых возможно проявление сверхупругого поведения, дополнительно к понятиям предела текучести и модуля нормальной упругости целесообразно применять понятие «эффективного» модуля упругости Еэф [8], который равен отношению критических напряжений и деформаций. В случаях реализации в сплавах сверхупругости он может значительно отличаться от модуля нормальной упругости и приближаться к модулю упругости биологических тканей (костей, связок и т. п.). Минимальные значения эффективного модуля упругости наблюдаются в сплаве ТН1 в рекристал-лизованном состоянии (см. табл. 4).
Таким образом, как для титановых сплавов, так и для никелида титана, возможно изменение критических значений деформаций и напряжений в широком диапазоне значений, обеспечивающих выполнение медико-технических требований к имплантируемым конструкциям различного назначения.
Результаты исследования структуры и свойств сплавов на основе титана и никелида титана были использованы для оптимизации технологии изготовления транспедикуляр-ных аппаратов (ТПА) для фиксации позвоночника (см. рис. 1) [9]. Для ТПА были проведены испытания по стандарту ДБТМ П717 с использованием продольных балок из различных материалов, обработанных по различным режимам (рис. 5). Было установлено, что наибольшая жесткость имплантатов при минимальном упругом перемещении наблюдается у ТПА с балками из нержавеющей стали. Использование балок из титановых сплавов расширяет область обратимых перемещений Ы ТПА. Необходимо отметить, что она достигает
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
р, Н
600 400 300 200 100
ВТ6
ВТ16(1) ВТ16(2)
ТН1(3)
2
4
6
8
10
ТН1(4)
12 14 АХ, мм
Рис. 5. Кривые нагрузки и разгрузки транспедикулярного аппарата с продольными балками из различных материалов:
сплав ВТ 16 в отожженном состоянии (1) и в закаленном от критической температуры (2); сплав ТН1 в по-лигонизованном (3) и рекристаллизованном (4) состояниях
12 мм для балок из сплава ВТ16, закаленных от температуры 770 °С (Ткр - 20 °С).
Максимальные обратимые перемещения были получены при использовании балок из никелида титана. Наиболее высокие критические усилия (до 250 МПа) и перемещения (А^ до 14 мм) отмечаются для балок из сплава с повышенным содержанием никеля в поли-гонизованном состоянии после отжига при 450 °С. Балки, отожженные при более высокой температуре (470-530 °С), более полно проявляют сверхупругость (А^ = 15 мм), но характеризуются более низкими значениями раз-
виваемых усилий. Они наиболее эффективно могут использоваться для исправления деформаций позвоночника, например, в аппаратах для лечения сколиоза.
Заключение
Проведенные исследования показали, что оценку работоспособности материалов, проявляющих сверхупругость, в частности сплавов на основе титана и никелида титана, необходимо проводить по критическим деформациям и напряжениям. Пластическая деформация и термическая обработка могут существенно изменять эти характеристики. Оптимизацией обработки имплантатов из таких материалов можно достичь необходимого сочетания этих свойств, добиваясь наиболее полного удовлетворения медико-технических требований к ним. В настоящее время отсутствуют методики определения критических деформаций и напряжений материалов и критических усилий и перемещений конструкций (имплантатов) из них. Это затрудняет реализацию возможностей материалов со сверхупругим поведением и разработку инновационной продукции из них. Необходимо проведение дальнейших исследований сверхупругих материалов, в частности усталостных свойств, и внесение соответствующих изменений в действующие отечественные и зарубежные стандарты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коллинз Дж. Повреждения материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 624 с.
2. Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Хачин В.Н., Гусев Д.Е. Медицинский инструмент и имплантаты из никелида титана: металловедение, технология, применение // Металлы. 2000. № 3. С. 105-110.
3. Ильин А.А., Мамонов А.М., Скворцова С.В. и др. Некоторые инновационные технологии в производстве медицинских имплантатов из титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2007. № 3. С. 131-137.
4. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Шаронов А.А. и др.
Формирование структуры сплава ТН1 при деформации и термической обработки // Титан. 2010. № 3. С. 4-10.
5. Попов А.А., Ильин А.А., Коллеров М.Ю. и др.
Влияние водорода на фазовый состав и структуру закаленных сплавов Т1-ЫЬ // Металлы. 1994. № 5. С.109-117.
6. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. и др. Сплавы с эффектом памяти формы / Под. ред. Х. Фуна-кубо. Пер. с яп. - М.: Металлургия, 1990. - 224 с.
7. Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Головин И.С., Шинаев А.А. Исследования механизмов формоизменения при деформации и нагреве титановых сплавов с эффектом запоминания формы // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 4. С. 12-16.
8. Коллеров М.Ю., Спектор В.С., Гусев Д.Е., Мамаев В.С. Влияние состава и структуры на характеристики упругости и сверхупругости сплавов на основе титана // Титан. 2012. № 4. С. 13-17.
9. Левченко С.К., Древаль О.Н., Ильин А.А. и др. Экспериментально-анатомическое исследование функциональной транспедикулярной стабилизации позвоночника // Вопросы нейрохирургии. 2010. № 1. С. 10-14.
