WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Ф.И.О Сенкевич Кирилл Сергеевич

Название диссертации Разработка технологии получения

динамических имплантатов из сплавов на

основе титана и никелида титана способом

диффузионной сварки

05.02.01 «Материаловедение (машиностроение)»

Специальность Отрасль наук

и Технические науки Шифр совета Д 212.110.04 Тел. ученого секретаря 417-8878 E-mail mitom@implants.ru Предполагаемая дата защиты 29 декабря 2009г. в 14.30 диссертации Место защиты диссертации Оршанская, 3, ауд. 220А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте «МАТИ»Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского в сети Интернет 27 ноября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета С.В.Скворцова

На правах рукописи

АСПИРАНТ

СЕНКЕВИЧ Кирилл Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ

ИМПЛАНТАТОВ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И НИКЕЛИДА

ТИТАНА СПОСОБОМ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ

Специальность: 05. 02. 01 – «Материаловедение (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва –

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработки материалов» ГОУ ВПО «МАТИ» – Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского.

Научный руководитель – д.т.н., профессор Шляпин Сергей Дмитриевич

Официальные оппоненты: – д.т.н., профессор Серов Михаил Михайлович – д.т.н., профессор Бачин Виктор Алексеевич

Ведущая организация ГОУ МГИУ

Защита диссертации состоится 29 декабря 2009 года в 1430 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в ГОУ ВПО «МАТИ» – Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского по адресу: Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ, ауд. 220А. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью организации) просим направлять по адресу:





121552, Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ.

Факс: (495) 417-89-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 27 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Скворцова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одной из актуальных проблем в области производства имплантатов различных элементов костно-хрящевых структур позвоночника, является разработка технологий создания материалов, обладающих помимо высоких механических свойств биомеханическими характеристиками, соответствующими характеристикам замещаемых костных тканей. К наиболее важным таким характеристикам можно отнести механическую совместимость, то есть максимальное соответствие жесткости имплантата жесткости замещаемого костного фрагмента. В отдельных случаях, требуемым условием является наличие определенной пористости материала или изделия, позволяющей улучшить остеоинтеграцию костной ткани с имплантатом. В настоящее время основными материалами, применяемыми при производстве имплантатов, являются Ti и его сплавы. При создании конструкций имплантатов с механическим поведением, соответствующим тканям позвоночника широкое применение нашли сплавы с эффектом памяти формы на основе интерметаллида TiNi. Современные технологии создания полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе Ti и TiNi, разработанные в “МАТИ”- Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского, позволяют создавать имплантаты различного назначения, однако существует ряд нерешенных задач.

Так, актуальной является задача разработки экономичной технологии получения пористых титановых имплантатов с высокими механическими свойствами и оптимальным уровнем жесткости для замещения тел позвонков и межпозвонковых дисков. При разработке динамических имплантатов для стабилизации позвоночника из сплавов на основе TiNi необходимо разработать технологию неразъемного соединения различных видов полуфабрикатов, позволяющую создавать изделия сложной формы. Такая технология соединения должна обеспечивать высокие механические свойств зоны соединения, при минимальном воздействии на структуру и функциональные свойства материала – эффект памяти формы (ЭПФ) и сверхупругость (СУ). Кроме того должна существовать возможность управления характеристиками ЭПФ и СУ в сварных конструкциях режимами термической обработки. Одним из возможных решений вышеперечисленных задач является использование способа диффузионной сварки уже нашедшего применение при создании конструкций из Ti и его сплавов различной конфигурации.

В связи с этим цель данной работы явилось исследование процесса диффузионной сварки сплавов на основе титана и никелида титана и технологии получения конструкций биологически и механически совместимых имплантатов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих конструкций и способов получения пористых материалов имплантатов позвонков и межпозвонковых дисков и разработать конструкцию имплантата с механическими характеристиками максимально приближенными к свойствам замещаемой костной ткани;





2. Разработать режим диффузионной сварки пористых полуфабрикатов из сплава ВТ-1-00 для получения изделий с заданными характеристиками пористости и жесткости;

3. Исследовать возможность дополнительного упрочнения сварных конструкций и оптимизации режимов диффузионной сварки с использованием термоводородной обработки (ТВО);

4. Исследовать процесс диффузионной сварки (ДС) сплавов на основе никелида титана;

5. Изучить влияние высокотемпературной обработки в процессе диффузионной сварки на характеристики сверхупругости (СУ) и эффект памяти формы (ЭПФ) свариваемых полуфабрикатов, исследовать коррозионную стойкость сварных конструкций.

Научная новизна работы:

1. Изучено влияние термоводородной обработки на структуру и свойства сварных соединений из сплава ВТ-1-00. Установлено, что в процессе обратимого легирования сварных конструкций водородом до 0,8%, вследствие развития рекристаллизации и фазовой перекристаллизации происходит устранение дефектов сварки и повышение комплекса механических свойств. Показано, что применение ТВО позволяет проводить процесс сварки при температурах ниже температур полиморфного превращения.

2. Исследован процесс диффузионной сварки сплавов на основе TiNi.

Установлена роль параметров диффузионной сварки на структуру и свойства сплавов. Показано, что наиболее активно процесс диффузионной сварки протекает начиная с температуры 1000С, что связано с резким снижением предела текучести материала и протекающими диффузионными процессами растворения неравновесных интерметаллидов в матрице сплава. Установлено, что причиной снижения прочности сварного соединения является увеличение объемной доли интерметаллидов Ti2Ni в зоне соединения вследствие взаимодействия свариваемых поверхностей с остаточным кислородом.

3. Изучено влияние высокотемпературной обработки на структуру и функциональные свойства полуфабрикатов. Установлено, что в сплавах на основе TiNi при нагреве вплоть до температуры 1120С, происходит снижение объемной доли и сфероидизация частиц Ti2Ni, что приводит к снижению хрупкости сварных соединений, но не сказывается на функциональных свойствах полуфабрикатов.

Практическая значимость работы:

1. Разработана технология получения имплантатов позвонков, получен патент РФ на конструкцию и способ получения изделия. Проведены клинические испытания имплантатов, разработаны и утверждены технические условия «Имплантаты для стабилизации позвоночника с инструментами для установки».

Налажен серийный выпуск имплантатов в ЗАО «КИМПФ».

2. Разработаны режимы термоводородной обработки сварных пористых конструкций из сплава ВТ-1-00, обеспечивающие повышение прочности сварных соединений в 1,5- 2 раза и улучшающие механическую обрабатываемость изделий.

3. Разработан режим диффузионной сварки листовых полуфабрикатов из сплавов на основе TiNi, обеспечивающий высокие механические свойства сварных соединений (не менее 500МПа на срез) без изменений в химическом составе и свойствах свариваемых полуфабрикатов. Установлены режимы термической обработки, позволяющие управлять характеристиками СУ и ЭЗФ сварных конструкций.

Апробация работы. Результаты работы доложены на научно-техническом семинаре «Диффузионная сварка и ее роль в современной технике», посвященном 100-летию Н.Ф. Казакова (в рамках 5-й Всеросийской НТК «Быстрозакаленные материалы и покрытия», 2006г.), на Всероссийских с международным участием научно-технической конференциях «Быстрозакаленные материалы и покрытия»

(2007, 2008), международных конференциях “Титан в СНГ” (2008, 2009), Молодежных научно-технических конференциях «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.

Циолковского «Гагаринские чтения» (2003, 2006 г., Россия), 48-ой международной конференции “Актуальные проблемы прочности” Тольятти, (2009), международной конференции “Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия, сварка. Белоруссия, (2008).

Публикации по теме исследования: По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале из Перечня ведущих научных журналов и изданий ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение.

Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 131 наименования. Изложена на страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 16 таблиц.

В литературном обзоре проанализированы существующие конструкции имплантатов позвонков и межпозвонковых дисков. Показано, что в настоящее время в качестве материалов имплантатов применяются различные металлические материалы: титановые сплавы, сплавы на основе CoCrMo, тантал, керамика, в том числе, биоактивная на основе фосфатов кальция, полимеры, материалы на основе графита, аутотрансплантаты. Сделан обзор основных металлических материалов, применяемых при производстве имплантатов. Показано, что наиболее перспективными для применения в клинической практике являются динамические имплантаты, обладающие жесткостью близкой к жесткости к жесткости структур позвоночника, которые данный имплантат замещает или укрепляет. Установлено, что, благодаря сочетанию высоких механических свойств, хорошей коррозионной стойкости и биологической совместимости, основное распространение получили имплантаты из титановых сплавов. При создании динамических конструкций имплантатов межпозвонковых дисков и для стабилизации позвоночника перспективным является использование сплавов с эффектом памяти формы на основе никелида титана. Их использование позволяет создавать имплантаты с механическим поведением максимально приближенным к замещаемым костным тканям, однако существующие технологии обработки полуфабрикатов из сплавов на основе TiNi не позволяют создавать изделия сложной конфигурации, что требует разработки новых технологий, в том числе сварочных. На основе обзора литературных данных поставлена цель работы и сформулированы задачи исследований.

Исследования проводили на образцах, из проволоки сплава марки ВТ1-00 по ГОСТ 19807, соответствующего титану марки Grade 2 по ИСО 5832-2, а также из проволоки сплава на основе никелида титана марки ТН1 с различным содержанием Ti и Ni, и листовых полуфабрикатах из сплава ТН1 согласно ТУ 1-809-394-84 (табл.

1) и ASTTF 2063-05. Диффузионную сварку осуществляли на установке СДВУ-40 с радиационным способом нагрева. Определение влияния термоводородной обработки на механические свойства сварных соединений из сплава ВТ-1-00, проводили на модельных образцах и готовых конструкциях.

Исследование механических свойств модельных сварных образцов и готовых изделий имплантатов из сплава ВТ-1-00 проводили на испытательной установке TIRAtest 2300. Модельные сварные образцы получали сваркой двух проволок d=0,95мм под углом 90°. При испытании замеряли прочность на срез.

Прочность готовых изделий полученных способом диффузионной сварки, а также после применения дополнительной термоводородной обработкой изучали при испытаниях на срез, при этом деформирующую нагрузку прикладывали поперек оси изделия по схеме трехточечного изгиба. Для определения прочности каждого единичного сварного контакта в изделии было проведено испытание на отрыв за счет последовательного растяжении (раскручивания) проволочной сварной полуфабрикатов из сплава ТН1 на сдвиг, сваривали пластины внахлест с небольшим смещением, и полученные образцы фиксировались в оснастке в виде пластин с прямоугольным отверстием примерно соответствующим площади отдельной пластины. Пластины оснастки фиксировались в захватах испытательной машины TIRAtest 2300 для испытания на срез. Для исследования влияния термоводородной обработки на прочность сварных соединений модельных образцов и готовых изделий из сплава ВТ-1-00 их наводороживали до различных концентраций водорода. Насыщение образцов водородом проводили в установке Сивертса в среде чистого молекулярного водорода, получаемого термическим разложением гидрида титана в вакууме. Вакуумный отжиг проводили в печи модели СНВЭ-1.3.1/16И3.

Содержание водорода в образцах после вакуумного отжига определяли с помощью установки ИСП-51 с фотоэлектрической приставкой ФЭП-1.

Примечание: способы получения полуфабрикатов: – комбинированный вакуумный дуговой и гарнисажный переплав (ВДП+ГП); 2 – индукционная плавка (ИП).

Коррозионную стойкость исследовали на проволочных образцах из сплава ТН1 в исходном состоянии и на сварных проволочных конструкциях с помощью потенциостата ПИ-50-1.1 потенциодинамическим методом в 0,9%-ном водном растворе NaCl при температуре 37±1С и скорости изменения потенциала 0,2 мВ/с.

Массовый показатель скорости коррозии (о) рассчитывали по известной плотности тока коррозии (iкор), которую определяли методом экстраполяции поляризационных кривых до значения стационарного потенциала (Ест).

Измерение характеристик ЭЗФ проволочных образцов из сплава TiNi, такие как жесткость и усилия компрессии, а также испытания проволочных образцов по схеме трехточечного изгиба проводили с помощью установки ТМС 2М.01, разработанной специально для испытания медицинских имплантатов. Для исследования механического поведения сплавов при различных температурах проволочные образцы подвергали испытаниям на трехточечный изгиб.

Металлографические исследования проводили с помощью оптического микроскопа NEOPHOT-30 при увеличениях до 1000 крат, и электронном микроскопе Jeol при увеличениях до 2000 крат. Металлографические шлифы делались по стандартным методикам. Исследование химического состава сварных образцов из сплава ТН изучали на растровом электронном микроскопе JSM-6060A (JEOL, Япония) при различных увеличениях. Экспериментальные данные подвергали обработке методами математической статистике.

Глава 3. Исследование процесса диффузионной сварки и разработка технологии получения пористых имплантатов из сплава ВТ-1- Исследование влияния режимов диффузионной сварки на структуру и свойства соединений из сплава ВТ-1-00 проводили на проволочных модельных образцах, имитирующих единичный контакт в пористой конструкции.

Диффузионную сварку проводили при различных температурах – 820, 870 и 920°С в течении 0,5, 1, 1,5 ч, и давлении 8 и 12 Н. Для определения прочностных свойств соединения образцы подвергались испытаниям на срез. Качество сварного соединения определяли при исследовании микроструктуры в зоне сварки. Анализ микроструктуры в зоне соединения показал, что при температуре 820С на границе контакта в зоне диффузионного соединения имеет место большое количество пор, приводящих к снижению прочностных свойств (рис. 1, а). В ряде случаев поры между свариваемыми поверхностями наблюдаются вдоль всей зоны контакта.

Установлено что при температуре 870С количество и размер пор резко снижается, а при 920С поры не наблюдались (рис 1, б и в). После процесса диффузионной сварки определяли изменение высоты контакта h под действием внешней нагрузки.

С увеличением температуры сварки величина h возрастает линейно (0,2мм – 0,7мм). Как показали механические испытания, с увеличением температуры диффузионной сварки (от 820 до 920С) усилие разрушения увеличивается (с 60 до 260 H). Увеличение времени выдержки при температурах 820 и 870С диффузионного спекания приводит к росту усилия разрушения и величины h, однако ее увеличении не существенно.

Таким образом, анализ результатов механических испытаний и исследование микроструктуры показал, что оптимальным режимом диффузионной сварки проволочных полуфабрикатов можно считать 920С, 1ч. На следующем этапе решалась задача получения пористых конструкций, обладающих необходимой прочностью и требуемой проницаемостью.

Технология включает в себя следующие этапы: навивку проволоки в первичную спираль; раскатка спирали в полосу; навивка полосы во вторичную спираль; формование проволочной спирали в пресс-форме. Полуфабрикат после прессования имеет габаритные размеры (диаметр и высота) близкие конечным, в процессе прессования формируются зоны контактов, по которым позже происходит послойное соединение слоев конструкции в процессе диффузионной сварке.

Оснастка для сварки аналогична оснастке для прессования проволочного полуфабриката и представляет собой цилиндрическую матрицу и два пуансона (нижний и верхний). В сварочный процесс входит: 1) нагрев до температуры сварки, равной 920°С, в течении 30 минут; 2) нагружение и выдержка в течении 1 часа; 3) охлаждение до комнатной температуры. В процессе диффузионной сварки осуществляли деформацию полуфабрикатов до заданной высоты с целью получения конструкций с заданной пористостью. Пробные эксперименты сварки прессованных заготовок показали принципиальную возможность получения полуфабрикатов с различной пористостью. Для исследований механического поведения пористых конструкций и оценки прочностных свойств полуфабрикаты имплантатов были подвергнуты деформации сжатием. Максимальная прикладываемая нагрузка к ним составляла 100000Н, а относительное уменьшение высоты конструкций достигало 60%. В течение испытания установлено, что при данных степенях деформации в процессе пластической деформации в испытываемых конструкциях не наблюдалось трещин. Анализ полученных кривых деформации показал, что жесткость модельных конструкций имплантатов в зависимости от их пористости и высоты может изменяться в пределах от 5000 до 30000 Н/мм. Для сравнения жесткость тела позвонка варьируется в интервале 3000-8500H. Для определения прочности сварки в конструкции были проведены их испытания на срез по схеме трех точечного изгиба.

В процессе испытания нагрузке подвергался серединный участок изделия, включающий несколько сваренных слоев. При испытании фиксировалось значение, при котором происходило начало разрушения. Установлено, что прочность на срез имплантата составляет не менее 400H, при этом оптимальным соотношением пористости и прочности обладают имплантаты с пористостью на уровне 45-50%.

Анализ результатов механических испытаний показал что, уровень механических свойств сварных соединений удовлетворяет требованиям, предъявляемым к изделию. Однако он значительно ниже значений, полученных в модельных экспериментах. Это связано с тем, что для получения изделия с требуемыми значениями пористости на уровне 45-50% в процессе сварки осуществляется контролируемая деформация по ограничителям высоты. В связи с этим деформация в единичных контактах, а значит и площадь сварки в конструкции значительно меньше, чем на модельных образцах.

Глава 4. Изучение влияния термоводородной обработки на механические свойства сварных соединений из сплава ВТ-1-00 и оптимизация режимов диффузионной сварки пористых имплантатов В главе 4 изучено влияние термоводородной обработки на повышение прочности сварных соединений в пористом имплантате из ВТ-1-00, и возможность управления режимами диффузионной сварки. Для выбора оптимального режима термоводородной обработки были проведены исследования влияния содержания водорода на структуру и свойства сварных образцов из сплава ВТ1-00, полученных при разных режимах ДС.

Исследование проводили на модельных проволочных крестообразных образцах. Наводороживание образцов осуществляли до концентрации 0,2, 0,4 и 0, масс. % Н. Установлено, что при наводороживании образцов до концентрации 0, масс.% диффузионные процессы в зоне сварки протекают наиболее интенсивно.

Анализ структуры в зоне диффузионного соединения, показал, что, если до наводороживания в образцах можно было отчетливо проследить границу раздела в зоне сварки, то после насыщения водородом значительные участки зоны сварки представляются единым целым. На этих участках фазовые превращения, и +, протекающие по диффузионному механизму полностью стирают границу раздела. Кроме того, в зоне диффузионной сварки исчезают поры, даже у образцов, свариваемых при 820С. Для удаления водорода из сплава ВТ1- проводили вакуумный отжиг при двух режимах – при 600С, длительностью 2 часа, и при 800С, длительностью 0,5 часа. Применение отжига 600С, 2 часа позволяет повысить прочность образцов, полученных при температуре диффузионной сварки 820 и 870С, на 4060 %, а образцов, полученных при температуре 920С – на 20 % (табл. 2). В тоже время вакуумный отжиг 800С, 0,5часа не приводит к существенному повышению прочностных свойств диффузионного соединения, что может быть связано с образованием грубой пластинчатой структуры. Оптимальным явилось проведение вакуумного отжига при 700С, в течении 1 часа. Исследование механических свойств в пористой сварной конструкции по схеме трехточечного изгиба показало, что применение ТВО позволяет гарантировать уровень разрушающих усилий не менее 1000Н. Для определения влияния ТВО на прочность отдельных сварных контактов на отрыв было проведено сравнительное испытание конструкций, полученных без применения ТВО и после ТВО. Для этого имплантаты подвергали последовательному разрушению растяжением сварных контактов конструкции. Результаты испытания показали (рис. 2) что прочность единичных контактов на отрыв у конструкций, подвергавшихся ТВО, выше, чем у не подвергавшихся такой обработке.

Механические свойства сварных соединений из сплава ВТ-1- диффузионной 820С, 1 час 820С, 1,5 час 870С, 1 час 870С, 1,5 часа 920С, 1 час * – образец разрушился рядом со сварным соединением.

Кроме того, после ТВО количество фиксируемых сварных контактов возрастает более, чем в 2 раза. Это свидетельствует о том, что применение дополнительной термоводородной обработки позволило повысить уровень прочности в сварных контактах, в том числе и с минимальным значением прочности, которые ранее не фиксировались на измерительном приборе испытательной машины.

Рис. 2. Прочность единичных контактов пористых изделий после диффузионной наводороживание 800-850С до 0,75 – 0,8 %Н по массе, затем снижение температуры до 600С и снижение содержания водорода до концентрации 0,1 0, масс. % позволяет создать в материале структурное состояние, способствующее хорошей обрабатываемостью резанием, что позволяет создавать пористые конструкции имплантатов с дополнительными фиксаторами, в частности из сплавов с эффектом памяти формы.

Показано, что использование разработанного режима ТВО сварных конструкций позволяет оптимизировать технологию получения пористых конструкций имплантатов.

Конструкции имплантатов и технологические рекомендации по производству имплантатов для замещения тел позвонков внедрены в серийное производство ЗАО «КИМПФ» (рис. 3).

Глава 5. Изучение процесса диффузионной сварки сплавов на основе TiNi и исследование физико-механических и коррозионных свойств сварных В главе 5 изучен процесс диффузионной сварки сплавов на основе никелида титана, исследовано влияние высокотемпературной обработки на структуру и свойства свариваемых полуфабрикатов, возможность управления характеристиками СУ и ЭЗФ в сварных конструкциях, коррозионная стойкость сварных соединений из TiNi в условиях организма человека. Показана перспективность применения технологии диффузионной сварки при создании имплантатов для динамической стабилизации позвоночника.

Исследование процесса диффузионной сварки проводили на листовых полуфабрикатах из сплава ТН1 (Ti-54,2масс.%Ni). Сварные соединения получали внахлест, с площадью перекрытия 50мм2. Диффузионную сварку проводили при Т=800, 900, 1000, 1100С, давление 10-30МПа, время от 15 до 60 минут. На полученных сварных образцах изучали прочность на срез. По результатам испытаний установлено влияние параметров диффузионной сварки на прочность соединения (рис. 4). Образцы полученные при 800С, обладали минимальной прочность на уровне 140МПа, а максимальной прочность обладают образцы, полученные при Т=1100С. В зависимости от давления и времени сварки их прочность составляет не менее 400МПа. Максимальная прочность получена при режимах Т=1100С, P=20МПа, t=30-60 мин, и составляет не менее 500МПа.

Исследование микроструктуры в зоне сварных образцов (рис. 5), полученных при оптимальном режиме, показали, что сварной участок можно условно разбить на 3 зоны: краевые участки, переходная зона и основная зона. Первая зона представляет собой дефектные краевые участки там, где не произошла сварка в силу отклонений плоскостности свариваемых поверхностей, а также неравномерности распределения давления в процессе сварки. Исследование химического состава свариваемых поверхностей показало, что они содержат до 15масс.% кислорода. Этот участок составляет не более 10% от общей протяженности линии сварки. Вторая, переходная зона представляет собой участок с фиксируемой границей раздела в виде скопления интерметаллидов.

Прочность при сдвиге, МПа кислорода снизилось и составляет 6-7 масс.%, а в целом химический состав представляет собой обогащенные титаном интерметаллиды Ti2Ni (рис. 5, а и в).

сопоставима с основным материалом (рис. 5, б и г). Таким образом, установлено, что при разработанном режиме диффузионной сварки можно получить качественное соединение с химическим составом, близким к основному материалу.

остаточного кислорода, блокирующего процессы диффузионной сварки, а по мере его снижения до уровня не более 7 масс.% способствует образованию диффузионного соединения обогащенного интерметаллидами Ti2Ni Рис. 5. Микроструктура и химический состав в зоне диффузионной сварки Для определения влияния высокотемпературной обработки в процессе сварки на структуру и характеристики СУ и ЭЗФ были проведены металлографические исследования структуры полуфабрикатов из TiNi при различных температурах в течение 1 часа. Исследования проводили на проволочных образцах диаметром от 2, до 2,6 мм с различным содержанием Ni и способом выплавки (плавки № 1 и №2).

Температуру термообработки варьировали в интервале от 700 до 1120°С.

Установлено, что в процессе отжигов морфология, размер и характер распределения по телу зерна частиц Ti2Ni принципиально не менялась при нагреве вплоть до температуры 1120С. С увеличением температуры отжига происходит снижение объемной доли интерметаллида Ti2Ni (с 13 до 10%), а частицы Ti2Ni с ростом температуры приобретают лишь более сферическую форму.

Для исследования влияния режимов ТО на механическое поведение сплавов, образцы подвергали испытаниям на трехточечный изгиб и усталость изгибом с вращением при комнатной температуре. Усталостные испытание при изгибе с вращением проводили на проволочных образцах в исходном состоянии, и после ТО, соответствующей режиму ДС. По результатам испытаний на 3-х точечный изгиб установлено, что образцы плавки №2 можно продеформировать без разрушения не менее, чем на 10%, а образцы плавки №1 – на 4 – 8% (рис. 6). Из-за высокого уровня напряжений некоторые образцы плавки №1, отожженные при 1000 – 1100С, разрушались при повторном нагружении, что, возможно, связано как с сильной неоднородностью структуры сплава, так и с локальным образованием жидкой фазы при температуре отжига (пережогом).

Рис. 6. Кривые напряжение – деформация при испытании на изгиб образцов плавки №1 (а) и плавки №2 (б) после высокотемпературного отжига После отжига образцы были подвергнуты старению при 500С в течении часа с целью повышения температур мартенситного превращения. В состаренном состоянии образцы плавки №1 при комнатной температуре проявляют высокий комплекс сверхупругих свойств, а образцы плавки №2 находятся в мартенситном состоянии. После деформации образцов плавки №2 на 8% температура начала восстановления формы составляют 27±2С, а температура конца восстановления формы – 37±2С. Таким образом, проведенные исследования показали, что нагрев до температуры 1100С в процессе диффузионной сварки не приводит к ухудшению характеристик ЭЗФ и сверхупругости сплавов на основе никелида титана (рис. 7), и существует возможность управления этими характеристиками способами термической обработки. Для сварных соединений предпочтительно использовать полуфабрикаты, изготовленные из слитков, полученных методом индукционной плавки и имеющих более однородную структуру с меньшим содержанием частиц Ti2Ni. Исследование коррозионной стойкости сварных конструкций из никелида титана проводили на проволочных сварных образцах. Перед испытаниями поверхность образцов в зоне соединения механически обрабатывалась и подвергалась электрополировке для удаления возможных поверхностных дефектов.

Рис. 7. Механическое поведение при температуре 21°С проволочных образцов из никелида титана при испытании на трехточечный изгиб (а и в) и при испытании на усталость изгибом с вращением (б и г) после отжига 500 °С, час (а и б) и после отжига 1100 °С, 1 час и старения 500 °С, 1 час (в и г).

По результатам потенциодинамических коррозионных испытаний установлено, что термообработка сплава при 1100°С не ухудшает коррозионные свойства никелида титана. Характер анодных поляризационных кривых сварных образцов свидетельствует также об отсутствии щелевой коррозии в области зоны сварки. Образцы имеют высокие коррозионные свойства, что подтверждается отсутствием пробоев на поверхности и низкими значениями плотности тока пассивного состояния. Таким образом, после дополнительной механической обработки и электрополировке поверхности, сварные конструкции обладают высокой коррозионной стойкость в среде организма человека, что допускает их применение в медицине при производстве имплантатов.

Разработанные технологические рекомендации опробованы ЗАО КИМПФ при опытном производстве новых конструкций динамических имплантатов для позвоночника из листов сплава ТН1.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследован и разработан экономичный способ получения пористых материалов с регулируемыми характеристиками пористости и жесткости с помощью диффузионной сварки. Установлено, что оптимальным сочетанием механических свойств и модулем упругости на уровни замещаемой костной ткани позвоночника обладают пористые материалы с 45-50% пористости. Разработан новый тип конструкции имплантата позвонков на основе проволочных (волоконных) материалов из сплава ВТ-1-00, защищенный патентом РФ.

2. Изучено влияние термоводородной обработки на повышение прочности сварных соединений из ВТ-1-00. Установлено, что применение режима ТВО включающего наводороживание до 0,8% масс. % Н и вакуумный отжиг при 700С в течение 1 часа позволяет повысить прочность соединения в 1,5-2 раза. Показана возможность оптимизации (снижение температуры на 100С) режима диффузионной сварки за счет применения дополнительной термоводородной обработки полученных сварных конструкций.

3. Исследован процесс диффузионной сварки сплавов на основе TiNi.

Установлено, что оптимальными режимами диффузионной сварки является Т=1100С, давление 20МПа, 1 час. Разработан режим сварки, позволяющий получать сварные соединения листовых материалов из сплава ТН1 с прочность на срез не менее 500МПа.

4. Изучено влияние высокотемпературной обработки в процессе сварки на структуру и характеристики СУ и ЭЗФ свариваемых полуфабрикатов. Установлено, что термическая обработка в интервале температур 700-1100С, в течение 1 часа практически не приводит к изменению структуры материала. При испытаниях на трехточечный изгиб и на усталость изгибом с вращением установлено, что механическое поведение образцов в исходном состоянии и после термообработки имитирующей режим ДС практически не различается. При этом характеристиками СУ и ЭЗФ сварных конструкций можно управлять режимами термообработки, ранее разработанными для полуфабрикатов из сплавов на основе TiNi.

5. Исследование коррозионной стойкости сварных соединений из проволоки сплава ТН1 при потенциодинамических коррозионных испытаний показало, что их коррозионная стойкость сопоставима с компактными образцами и не наблюдается признаков щелевой коррозии.

6. Разработанные образцы имплантатов позвонков прошли клинические испытания, и налажено их производство в ЗАО «КИМПФ».

7. Разработанные технологические рекомендации по диффузионной сварки сплавов на основе TiNi использованы ЗАО «КИМПФ» при опытном производстве новых конструкций динамических имплантатов для позвоночника из листов сплава ТН1.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гусев Д.Е., Сенкевич К.С., Шляпин С.Д., Коллеров М.Ю. Технологические особенности получения пористых конструкций имплантатов с использованием диффузионной сварки и термоводородной обработки // Сварочное производство, 2009 №12 с. 25-31.

2. Шляпин С.Д., Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Сенкевич К.С., Степанова Е.А.

Получение пористых медицинских имплантатов с использованием диффузионной сварки // Технология легких сплавов, 2007, №3 с.138 –143с.

3. Шляпин С.Д., Гусев Д.Е., Сенкевич К.С., Мамаев В.С. Структура и свойства сварных соединений сплавов на основе никелида титана // Технология легких сплавов, 2008, №3 с.65 –72с.

4. Шляпин С.Д., Коллеров М.Ю., Сенкевич К.С., Клубова Е.В., Князев М.И..

Получение пористых имплантатов из титановой проволоки диффузионной сваркой / Сборник трудов Международной конференции «Титан-2008 в СНГ», Киев, 2008, с.

397-400.

5. Шляпин С.Д., Сенкевич К.С., Гусев Д.Е., Чернышова Ю.В. Перспективы получения элементов конструкций из сплавов на основе TiNi диффузионной сваркой / Сборник трудов Международной конференции «Титан-2009 в СНГ», Одесса, 2009, с. 404-408.

6. Коллеров М.Ю., Ильин А.А., Давыдов Е.А., Гусев Д.Е., Балберкин А.В., Шляпин С.Д., Сенкевич К.С. Имплантат для замещения костных и хрящевых структур и устройство для его закрепления. Патент РФ №

 
Похожие работы:

«Скляров Андрей Анатольевич ПРИКЛАДНЫЕ МЕТОДЫ СИНЕРГЕТИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ИЕРАРХИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМИ МОБИЛЬНЫМИ РОБОТАМИ Специальность 05.02.05 Роботы, мехатроника и робототехнические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Таганрог 2013 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В настоящее время, в связи с нарастающей автоматизацией сфер жизнедеятельности человека, робототехнические системы (РТС) нашли свое...»

«КАНАТНИКОВ НИКИТА ВЛАДИМИРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗУБОСТРОГАНИЯ ПРЯМОЗУБЫХ КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Орел - 2014 2 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс...»

«Крылов Константин Станиславович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ ПРИВОДОВ ТОРФЯНЫХ ФРЕЗЕРУЮЩИХ АГРЕГАТОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Специальность 05.05.06 Горные машины АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Тверь 2010 3 Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете Научный руководитель доктор технических наук, доцент Фомин Константин Владимирович Официальные оппоненты : доктор технических наук...»

«Рожкова Елена Александровна ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ НЕПОДВИЖНЫХ НЕРАЗБОРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С РАВНООСНЫМ КОНТУРОМ С НАТЯГОМ Специальность 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Чита – 2014 2 Работа выполнена в Забайкальском институте железнодорожного транспорта филиале федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального...»

«Малкин Илья Владимирович Разработка технических средств снижения шумовых излучений системы газообмена двигателя легкового автомобиля 05.04.02 - Тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2014 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тольяттинский государственный университет на кафедре Управление промышленной и экологической безопасностью. Научный...»

«Коперчук Александр Викторович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЗМА БЛОКИРОВКИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МУФТЫ Специальность 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Юрга - 2013 2 Работа выполнена на кафедре механики и инженерной графики Юргинского технологического института (филиала) Национального исследовательского Томского политехнического университета и кафедре теоретической и...»

«БЕЛОКОПЫТОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК СЛОЖНОЙ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДА ГРУППОВОЙ ШТАМПОВКИ Специальность 05.02.09 – Технологии и машины обработки давлением Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2010 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном технологическом университете Станкин Научный...»

«НАТИГ АДИЛ оглы НАБИЕВ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СКВАЖИННЫХ ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ. 05.02.13- Машины, агрегаты и процессы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора философии по технике БАКУ 2010 1 Работа выполнена в Азербайджанской Государственной Нефтяной Академии Научный руководитель : член АННА, д.т.н профессор...»

«Гришина Елена Александровна ГАЗОДИНАМИКА И РАСЧЕТ ЭЖЕКЦИОННЫХ И ВИХРЕВЫХ ПНЕВМОЗАТВОРОВ Специальность 05.04.13 – Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Челябинск – 2013 2 Работа выполнена на кафедре Гидравлика и гидропневмосистемы Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Южно-Уральский государственный университет (научный...»

«САЖИН ПАВЕЛ ВАСИЛЬЕВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ НАПРАВЛЕННОГО ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД Специальность: 05.05.06 - Горные машины Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск - 2007 Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения Российской академии наук Научный руководитель – доктор технических наук Клишин Владимир Иванович Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид...»

«Тощаков Александр Михайлович ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ МЕЖТУРБИННОГО ПЕРЕХОДНОГО КАНАЛА И ДИАГОНАЛЬНОГО СОПЛОВОГО АППАРАТА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Специальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Рыбинск – 2014 2 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего...»

«ФАРХАТДИНОВ ИЛЬДАР ГАЛИМХАНОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВЫХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ КАНАЛА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ СИСТЕМ ДВУСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ Специальность: 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата наук Москва 2011 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет СТАНКИН. Научный руководитель д.т.н.,...»

«СЛОБОДЯН Михаил Степанович СТАБИЛИЗАЦИЯ КАЧЕСТВА СОЕДИНЕНИЙ ПРИ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ МИКРОСВАРКЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА Э110 Специальность 05.03.06 – Технологии и машины сварочного производства АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата технических наук Барнаул – 2009 Работа выполнена на кафедре Оборудование и технология сварочного производства Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Томский политехнический университет...»

«ЯНТУРИН РУСЛАН АЛЬФРЕДОВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТОВ ПАРАМЕТРОВ КОМПОНОВОК НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ БЕЗОРИЕНТИРОВАННОГО БУРЕНИЯ Специальность 05.02.13 – “Машины, агрегаты и процессы” (нефтегазовая отрасль) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук УФА - 2005 Работа выполнена на кафедре нефтегазопромыслового оборудования Уфимского государственного нефтяного технического университета. Научный руководитель доктор...»

«ШАЛЫГИН МИХАИЛ ГЕННАДЬЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ТОРЦОВЫХ ПАР ТРЕНИЯ БИТУМНЫХ ШЕСТЕРЕННЫХ НАСОСОВ Специальность 05.02.04 – Трение и износ в машинах АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Брянск – 2010 2 Работа выполнена на кафедре Управление качеством, стандартизация и метрология ГОУ ВПО Брянский государственный технический университет доктор технических наук, профессор Научный руководитель Горленко Олег Александрович доктор...»

«КОНДРЕНКО Виталий Андреевич ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК (на примере дизелей типа ЧН 12/12) 05.04.02 - Тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Барнаул-2008 Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии 15 Центральный автомобильный ремонтный завод Министерства обороны РФ Научный руководитель : доктор...»

«ЯКИМОВ Артем Викторович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Братск – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Забайкальский государственный университет Научный руководитель : доктор технических наук, профессор кафедры...»

«ЛАВРЕНКО Сергей Александрович ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН Специальность 05.05.06 – Горные машины Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный минерально-сырьевой университет Горный Научный...»

«Тихомиров Станислав Александрович РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПУСКА И ПРОГРЕВА КОНВЕРТИРОВАННОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ГАЗОВОГО ДВС С ДИСКРЕТНЫМ ДОЗИРОВАНИЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород 2014 Работа выполнена на кафедре Энергетические установки и тепловые двигатели Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева Научный руководитель : доктор...»

«РОМАНОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 4Ч 11,0/12,5 ПРИ РАБОТЕ НА МЕТАНОЛО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург - 2010 2 Работа выполнена в ФГОУ ВПО Вятская государственная сельскохозяйственная академия Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Лиханов Виталий Анатольевич Официальные оппоненты : доктор технических...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.