Физика /2

асп. Штейнгауэр А.Б., студ. Фомина М.А., д.т.н., проф. Родионов И.В., к.т.н., доц. Фомин А.А.

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А., Россия

Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ

в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы, соглашение № 14.B37.21.0571.

Влияние индукционно-термической обработки

на структуру технически чистого медицинского титана

Введение

Биомеханические характеристики имплантационных металлических конструкций улучшаются различными технологическими способами, например, за счет термической или химико-термической обработки поверхности. В частности, металлическая основа подобных изделий (имплантатов) требует создания переходного по механическим свойствам морфологически гетерогенного слоя между поверхностью самой внутрикостной конструкции и костной тканью. В данной области науки и техники широко применяется титан, сплавы на его основе, в виду того, что данные материалы наилучшим образом охватывают весь комплекс биомеханических характеристик.

Хорошо известны исследования Лайнера Д.И., Кофстада П., Войтовича Р.Ф., Коршунова А.В., Солнцева К.А., в которых исследуются процессы и закономерности окисления тугоплавких металлов, в том числе технически чистого титана ВТ1-00 [1-3]. Недостатком технически чистого титана является невысокая механическая прочность, а медицинских упрочненных сплавов (ВТ6, ВТ16) – сниженная коррозионная стойкость в биожидкостях. Поэтому остается открытой проблема получения на титане механически прочного приповерхностного слоя, придающего всей конструкции повышенную жесткость, а поверхностному слою – твердость и износостойкость.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для повышения эффективности и улучшения функциональных характеристик титановых имплантатов целесообразно осуществлять комплексную обработку, результатом которой является достижение повышенных показателей следующих характеристик:

- твердости поверхностного слоя за счет интенсивного упрочняющего теплоэлектрофизического воздействия токов высокой частоты (ТВЧ);

- морфологической гетерогенности микро- и наноструктуры поверхности имплантата, соответствующих минеральной составляющей костной ткани.

Таким образом, совершенствование технологии изготовления металлических медицинских конструкций имплантатов предусматривает использование теплофизического воздействия на материал основы при индукционно-термической обработке (ИТО). При этом получение наноструктурного состояния поверхности имплантатов приводит к повышению показателей морфологической гетерогенности, что оказывает непосредственное влияние на качество процессов остеоинтеграции [4].

Методика эксперимента

Образцы представляли собой пластины технически чистого титана ВТ1-00 толщиной 2 мм, поверхность которых подвергалась пескоструйной обработке корундом и ультразвуковой очистке. Поверхность подготовленных образцов оксидировалась на воздухе при воздействии ТВЧ.

Устанавливалось влияние ИТО в диапазоне температур 600…1200 °C на показатели структуры титановой основы, а также получаемых металлооксидных покрытий. Исследование образцов производилось методами оптической (металлографический микроскоп МИМ-8М) и атомно-силовой микроскопии (сканирующий микроскоп СММ-2000).

Результаты исследования и их анализ

Микроструктура титановых образцов отличается размером зерен (рис. 1). Заметное измельчение структуры наблюдается при температуре термообработки ниже точки фазового перехода α-Ti ↔ β-Ti (рис. 1 с). С превышением данного температурного порога происходит заметное, даже при макроскопическом анализе, возрастание среднего размера кристаллитов с четким выделением границ раздела фаз (рис. 1 d).

Рис. 1. Микроструктура титана после термообработки

Структура поверхности представляет собой рельеф исходной металлической основы после подготовительных операций и оксидирования (рис. 1 a, 1 b). В диапазоне температур от 1000 до 1200 °C достаточно быстро формируется покрытие диоксида титана толщиной около 10…15 мкм.

Результатом ИТО также является придание поверхности титанового имплантата регулярной микроструктуры, модифицированной металлооксидным тонкослойным покрытием с субмикрометровыми и нанометровыми показателями структурной организации, в частности, основных параметров шероховатости (рис. 2).

Рис. 2. АСМ поверхности образца титана, подвергнутого ИТО при температуре ниже фазового перехода (700 °C) и продолжительности 2 мин (показан участок профилограммы)

Имеющиеся теоретико-экспериментальные данные показывают наличие упрочняющего эффекта такой структурной модификации с помощью ИТО [5]. Предлагаемая термообработка способствует возрастанию твердости от 2 до 5 раз, а модуля упругости «оболочки» титановой конструкции – в 1,8…2,2 раза.

Вывод

Варьирование параметрами мощности нагрева ТВЧ, продолжительности ИТО, а также составом атмосферы, в частности, концентрацией кислорода, позволяет регулировать микроструктуру имплантационной конструкции по ее сечению, а также тип морфологии ее поверхности в нанометровом масштабе.

Установлено, что тонкослойное металлооксидное покрытие, модифицированное нанокристаллами диоксида титана, формируемое при нагреве от 600 до 800 °C и выдержке не более 5 мин, характеризуется повышенной морфологической гетерогенностью и твердостью.

Литература

1. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов. – М.: Изд-во «МИР», 1969. – 392 с.

2. Солнцев К.А., Зуфман В.Ю., Аладьев Н.А., Шевцов С.В., Чернявский А.С., Стецовский А.П. Особенности кинетики окисления титана при получении рутила окислительным конструированием тонкостенной керамики // Неорганические материалы, 2008. – Т. 44. – № 8. – С. 969-975.

3. Коршунов А.В., Ильин А.П., Лотков А.И., Раточка И.В., Морозова Т.П., Лыкова О.Н. Особенности окисления субмикрокристаллического титана при нагревании в воздухе // Известия Томского политехнического университета. 2011. – Т. 319. – № 3. – С.10-16.

4. Fomin A.A. et al. Nanocrystalline Structure of the Surface Layer of Plasma-Sprayed Hydroxyapatite Coatings Obtained upon Preliminary Induction Heat Treatment of Metal Base // Technical Physics Letters, 2012. – Vol. 38. – № 5. –pp. 481-483.

5. Фомин А.А., Штейнгауэр А.Б., Родионов И.В., Анников В.В., Петрова Н.В., Захаревич А.М., Грибов А.Н. Нанометровые характеристики морфологически гетерогенных биосовместимых покрытий, получаемых на титане при воздействии токов высокой частоты // Гетеромагнитная микроэлектроника, 2012. – Вып. 13. – С. 57-63.