Научная статья на тему 'Влияние ультразвуковой обработки на структуру и физико-механические свойства титана Вт 1-0'

Влияние ультразвуковой обработки на структуру и физико-механические свойства титана Вт 1-0 Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

CC BY
637
114
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТИТАН / МИКРОТВЕРДОСТЬ / УЛЬТРАЗВУК / TITAN / MICROHARDNESS / ULTRASOUND

Аннотация научной статьи по биотехнологиям в медицине, автор научной работы — Федчишин О. В., Трофимов В. В., Клименов В. А.

Невысокая, по отношению к легированным титановым сплавам, прочность технически чистого титана значительно ограничивает возможности его применения. С целью повышения механических свойств и модифицирования поверхности титановые образцы подвергались ультразвуковой поверхностной обработке.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биотехнологиям в медицине , автор научной работы — Федчишин О. В., Трофимов В. В., Клименов В. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Influence of ultrasonic processing on structure and physicomechanical properties of titan

Low, in relation to the alloyed titanic alloys, durability of technically pure titan considerably limits possibilities of its application. For the purpose of increase of mechanical properties and surface modifying titanic samples were exposed to ultrasonic superficial processing.

Текст научной работы на тему «Влияние ультразвуковой обработки на структуру и физико-механические свойства титана Вт 1-0»

вследствие прорастания метастатической опухоли жизненно важных органов и сосудов средостения.

Отдаленные результаты хирургического лечения доброкачественных опухолей и кист средостения изучены нами у 94 человек из 101 оперативного больного в сроки от 6 месяцев до 17 лет. 79 из них были подвергнуты всестороннему исследованию, о судьбе 15 больных было известно из анкет, которые заполнили они сами или их родственники.

По качеству результатов мы разделили больных на три группы: с хорошими, удовлетворительными и неудовлетворительными результатами.

В группу с хорошими результатами вошли 82 больных, у которых отмечено полное исчезновение симптомов заболевания после операции и отсутствие жалоб на какие-либо болезненные явления, связанные с оперативным вмешательством.

Все эти больные считают себя практически здоровыми. Они вернулись к привычному образу жизни, учебе и работе. В эту же группу вошли 7 детей, все они хорошо развиваются, рецидива опухоли и кисты у них нет.

В группу с удовлетворительными результатами мы включили 11 больных, у которых после операции исчезли основные жалобы и объективные признаки заболевания, но остались небольшие боли в груди, одышка или сердцебиение, либо появились жалобы в связи с перенесенным хирургическим вмешательством: боли по ходу послеоперационного рубца, нарушение потоотделения, синдром Горнера и др. В эту же группу вошли 4 больных, у которых были удалены доброкачественные опухоли и гиперплазии вилочковой железы, сопровождавшиеся симптомами миастении. Интенсивность миастенических симптомов у них уменьшилась, дозу антихолинэстераз-ных препаратов больные сократили на 1/3. Рецидива опухоли и кисты у данной группы больных не обнаружено.

Отдельные результаты хирургического лечения злокачественных опухолей средостения изучены нами у 16 из 18 больных. Срок наблюдения составил от 4-х месяцев до 7 лет.

Из 16 больных 6 были оперированы радикально, 7 больным была произведена резекция опухоли, 2 — пробная торакотомия и 1 больному - декомпрес-сивная ламинэктомия. Кроме того, 10 больным в послеоперационном периоде и в дальнейшем в условиях онкологического диспансера проводилось лучевое лечение.

Из 16 больных живут 2: один из них живет без рецидива и метастазов 2 года (больной оперирован радикально по поводу злокачественной тимомы), другой живет 7 лет (больному был удален метастаз семиномы). В послеоперационном периоде и периодически в течение 2 лет они подвергались лучевой терапии. Один из этих больных не работает и получает пособие по II группе инвалидности; второй больной работает слесарем, как и до операции. Все другие больные (14) умерли через 1,5 месяца — 3 года после операции от продолжающегося роста опухоли, ее рецидива или метастазов.

Анализ наших наблюдении показал, что наилучшие отдаленные результаты получены при хирургическом лечении доброкачественных опухолей и кист средостения; отдаленные же результаты хирургического лечения медиастинальных опухолей злокачественного характера менее благоприятны.

Таким образом, более широкий охват населения профилактическими медицинскими осмотрами и большая осведомленность врачей о данной патологии будут способствовать более раннему выявлению опухолей и кист средостения и тем самым приведут к повышению их операбильности, улучшению ближайших и отдаленных результатов.

литература

1. Брайцев В.Р. Врожденные дизонтогенетические образования средостения и легких. — М., 1960. — 252 с.

2. Гольдберг В.Н. Клиника, диагностика и хирургическое лечение опухолей и кист средостения: автореф. дис. ... канд. мед. наук. — М., 1961. — 18 с.

3. Лукьянченко Б.Я. Распознавания опухолей и кист средостения. — М., 1958. — 234 с.

4. Колесникова Р.С. Клиника, диагностика и хирургическое лечение опухолей и кист средостения: автореф. дис.. д-ра мед. наук. — М., 1965. — 27 с.

5. Колесов А.П., Желудев С.И.. Давыденко В.А. и др. Клиника, диагностика и лечение опухолей и кист средостения // Клиническая медицина. — 1969. — №2. — С. 48-55.

6. Петровский Б.В. Хирургия средостения. — М., 1960. — 125 с.

7. Петровский Б.В., Перельман М.И., Домрачев А.С. Новообразования средостения // Хирургия. — 1969. — №2. — С. 88-93.

8. Углов Ф.Г., Селезнев Е.К., Игнатьев А.С. Лечение доброкачественных опухолей и кист средостения // Вестник хирургии. — 1969. — №10. — С. 8-13.

9. Bariety Y.A., Caury C. Le mediastin sa pathologie. — Paris, 1958. — 190 р.

10. Flavel G. Cyst and tumora of the mediastunum. Diseases of the chest. Marchall G., Perry K. — London, 1952. — P. 347-358.

11. Herlistzka A.A., Gale J.W. Tumors and cysts of mtdiasti-num // J.A.M.A. Arch. Surg. — 1958. — N76. — P. 697-706.

Адрес для переписки: 664023, г. Иркутск, ул. Пискунова, 106, кв. 48, Снегирев Иван Игнатьевич — к.м.н., ассистент кафедры общей хирургии с курсом урологии, тел. (3952) 54-88-01, e-mail: snegirevii@mail.ru

© ФЕДчИшИН О.в., тРОФИмОв в.в., клИмЕНОв в.А. — 2009

влияние ультразвуковой обработки на структуру и физико-механические свойства титана вт 1-0

О.В. Федчишин1, В.В. Трофимов1, В.А. Клименов2 ^Иркутский государственный институт усовершенствования врачей, ректор - д.м.н., проф. В.В. Шпрах, кафедра ортопедической стоматологии, зав. — д.м.н., проф. В.В. Трофимов; 2Томский политехнический университет, ректор — д.т.н., проф. П.С. Чубик, ФГУП Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического университета,

директор — д.т.н. В.А. Клименов)

Резюме. Невысокая, по отношению к легированным титановым сплавам, прочность технически чистого титана значительно ограничивает возможности его применения. С целью повышения механических свойств и модифицирования поверхности титановые образцы подвергались ультразвуковой поверхностной обработке. ключевые слова: титан, микротвердость, ультразвук.

INFLUENCE OF ULTRASONIC PROCESSING ON STRUCTURE AND PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES OF TITAN BT 1-0

O.V. Fedchishin1, V.V. Trofimov1, VА. Rlimenov2 ('Irkutsk State Institute of Physicians' Training, Irkutsk; 2Polytechnical University, Tomsk, Scientific Research Institute of Introscopy, Tomsk)

Summary. Low, in relation to the alloyed titanic alloys, durability of technically pure titan considerably limits possibilities of its application. For the purpose of increase of mechanical properties and surface modifying titanic samples were exposed to ultrasonic superficial processing.

Key words: titan, microhardness, ultrasound.

Титановые сплавы, обладая уникальными механическими свойствами и высокой химической стойкостью, широко используются в качестве медицинских материалов. Однако относительно невысокие, по отношению к легированным титановым сплавам, прочностные свойства технически чистого титана значительно ограничивают возможности его применения. В последнее время было разработано много способов поверхностного упрочнения, позволяющих бороться с этим недостатком. Это методы поверхностной термообработки [2, 5, 7], методы лазерного науглероживания и азотирования поверхностного слоя из газовой [4, 6] или жидкой среды [3]. Но наилучшие результаты для титановых сплавов достигнуты при поверхностном пластическом деформировании, которое сопровождается интенсивной трансформацией структуры поверхностного слоя, вызывающей изменения физико-механических свойств, и как следствие его упрочнение. Существует несколько различных схем воздействия на материал с помощью ультразвука [2]. По одной из них, деталь является частью колебательной системы и испытывает ультразвуковое воздействие путем возбуждения в ней волн сжатия и растяжения, в остальных - подвергается поверхностному пластическому деформированию (ППД) в результате обработкой ультразвуковой головкой или шариком, многоэлементным инструментом или свободно деформирующими элементами.

Для пластичных материалов, таких как титан, эффективны все виды пластического упрочнения поверхности. Однако эта эффективность достигается не всегда, так как пластическое формоизменение только поверхностных слоев часто приводит к возникновению остаточных напряжений, инициирующих возникновение трещин на границе раздела «упрочненный - не упрочненный слой». В этом отношении методы ультразвукового воздействия оказались более предпочтительны, чем обычные.

Титановые образцы подвергались ультразвуковой поверхностной обработке с целью повышения механических свойств и модифицирования поверхности [1].

Ультразвуковая обработка проводилась в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) на установке, представленной на рис. 1 при различных режимах:

Для увеличения эффекта от ультразвукового воздействия, часть образцов подвергли отжигу в вакуумной печи при 1=650 °С в течении 15 минут с последующим охлаждением в печи до комнатной температуры. Предварительный отжиг проводился с целью снятия остаточных напряжений в образцах, приобретенных после прокатки в заводских условиях и испарения с поверхности титана толстого оксидного слоя. Новый тонкий оксидный слой не должен значительно препятствовать инструменту при поверхностной упрочняющей обработке.

Режимы ультразвуковой обработки изменялись путем изменения скорости подачи от 0,2 до 0,05 мм/об. Параметры оптимального режима ультразвуковой обработки представлены в таблице 1.

В результате ультразвукового деформирования отожженного и неотожженного образцов наиболее значительные изменения структуры произошли в приповерхностном слое. На рис. 2 представлено металлографическое изображение поперечного сечения титанового образца, на котором можно наблюдать сформированную на глубине до 60 мкм структуру с зернами, вытянутыми по направлению движения обрабатываемого инструмента. Размер зерна изменился с первоначального 9,6 мкм до 2,4 мкм после обработки [8].

Рис. 1. Ультразвуковой технологический комплект УЗГК-02: 1 — ультразвуковой генератор УЗГ-02/22; 2 — инструмент ПМС-063 (магнитостриктор); 3 — индентор; 4 — соединитель; 5 — подвод охлаждающего воздуха.

Рис. 2. Металлографическое изображение микроструктуры поперечного сечения титана ВТ 1-0 после ультразвуковой обработки

Результаты исследования микротвердости образцов, обработанных ультразвуком с предварительным отжигом и без него, представлены в таблице 2.

Установлено, что микротвердость на поверхности титанового сплава ВТ1-0 в состоянии поставки и после последующего отжига изменяется незначительно и составляет 2250 и 2100 МПа соответственно.

На обработанной ультразвуком поверхности отожженного титанового образца микротвердость достигает величин от 5521 до 6616 МПа. Распределение микротвердости с обработанной стороны по глубине исследуемого образца неравномерное от 5500 до исходного состояния на противоположной (необработанной УЗО) поверхности.

На обработанной ультразвуком поверхности неото-жженного образца максимальное значение микротвердости составляет 5800 МПа. Распределение микротвердости по глубине образца равномерно уменьшается с 4730 МПа

Сибирский медицинский журнал, 2009, № 6 Таблица 1

Оптимальный режим ультразвуковой обработки титана ВТ 1-0

Мощность ультразвукового генератора, кВт Скорость вращения, об./мин Скорость подачи, мм/об. R сферы индентора, мм Материал наконечника

200 63 0,05 5 ВК-8

Таблица 2

Микротвердость титана ВТ 1-0 после разных видов обработки

Вид упрочняющей обработки Крупнозернистый технически чистый титан Нанокомпозит после равнока-нального упрочнения (РКУП) Нанокомпозит после РКУП + холодная деформация Технически чистый титан отожженный после ультразвуковой обработки, поверхность

Микротвердость, МПа 2450 2800 3200 6616

Рис. 3. Трехмерное изображение поверхности и профили шероховатости поверхностей отожженного титана ВТ 1-0: а — не обработанную ультразвуком, Ка=0,53 мкм; б — обработанную ультразвуком, Ка=0,37 мкм.

до исходного состояния. В обоих случаях степень шероховатости не снижается подобно тому, как это можно наблюдать в случае ультразвуковой обработки стали.

Для исследования характера поверхности после УЗО, проведено исследование морфологии поверхности титана (рис. 3), которое выявило следующие закономерности. Поверхность образца, обработанного ультразвуком, имеет однородный выглаженный волнистый рельеф. Шероховатость значительно снижена по сравнению с исходным состоянием: до обработки Яа=0,53 мкм, после обработки Яа=0,37 мкм.

Морфология исходного образца показала развитую, имеющую однородную шероховатость, поверхность, (рис. 3а). Морфология образца, обработанного ультразвуком, выявила, однородно выглаженный волнистый рельеф поверхности без присутствия участков налипа-

ния поверхности металла на обрабатываемый образец (присущих титану) и значительно сниженной шероховатостью (рис. 3б).

В таблице 2. представлены микротвердости титана ВТ1-0 после разных видов упрочняющей обработки.

В заключении можно сделать вывод, что ультразвуковая обработка титана ВТ 1-0 позволяет модифицировать его поверхностный слой, формируя его градиентное строение с мелкокристаллической структурой с размером зерна до 2,4 мкм, более высокими значениями микротвердости (~6000 по отношению к исходной 2250 МПа) и с низкой шероховатостью (Яа=0,37 мкм по сравнению с исходной Яа=0,53 мкм), и, следовательно, является достаточно эффективной с точки зрения ее использования для упрочнения титановых конструкций в целом [8].

б

а

литература

1. Ботаева Л.Б. Исследование влияния ультразвуковой обработки поверхности на структуру и свойства титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ5-1 // Матер. II Всерос. конф. молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов». — Томск, 1999. — С. 103-104.

2. Гриднев В.Н., Ивасишин О.М., Ошкадеров С.П. Физические основы скоростного термоупрочнения титановых сплавов. — Киев: Наукова думка, 1968. — 256 с.

3. Колобов Ю.Р., Кашин О.А., Дударев Е.Ф. и др. Влияние ультразвукового деформирования поверхности на структуру и механические свойства поликристаллического и нано-

структурного титана // Изв. вузов. Физика. —2000. — № 9. — С. 45-50.

4. Полоцкий И.Г., Белецкий В.М., Прокопенко Г.И., Табачник В.И. Упрочнение титанового сплава с помощью ультразвука // Вестник машиностроения. —1977. — № 4. — С. 74-75.

5. Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Лазерно-плазменная обработка материалов при высоких давлениях газов // Квантовая электроника. — 1981. — № 6. — С. 1193-1201.

6. Иванова В.С., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении — М.: Наука, 1994. — 383 с.

7. Katayma S. Laser nitriding and hardening of titanium and other materials // Electron and Laser Beam Weld Proc. I Comf. Tokyo 14-15, July, 1986. — Oxford, 1986.

8. Botaeva L.B., Rlimenov V^., Vereshagin V.I., et al. Influence of Ultrasound Treatment of Titanium on the Formation of Calcium-Phosphate Coating Relief // Proceedings of the 8th Korean-Russian International Symposium on Science and Technology, 2004. — P. 99-100.

Адрес для переписки: Федчишин Олег Вадимович — доцент кафедры ортопедической стоматологии, 665830, г. Ангарск, ул. К. Маркса, 29, кафедра ортопедической стоматологии ИГИУВа, раб.тел. (3955) 526050; e-mail: volff@mail.ru;

Трофимов Виктор Венедиктович — д.м.н., зав. кафедрой ортопедической стоматологии Иркутского ГИУВа; Клименов Василий Александрович — д.т.н., профессор, директор НИИ интроскопии Томского политехнического университета, 634034, Томск, проспект Ленина, 30, тел. (3822) 56-34-70

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.