вакуумное, центробежное, по выплавляемым моделям

Титан — молодой металл. Он был открыт в конце 18 века. Титан обладает высокой температурой плавления (1670 °C), малым удельным весом (4.5 г/см³) и высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Титан

Высокая цена и сложность обработки металла обуславливают его относительно узкое применение в промышленности — только для самых ответственных деталей. Из легкого и прочного металла делают высоконагруженные детали и узлы в аэрокосмической, оборонной и нефтяной отраслях.

Технология литья из титана

Сложность технологии титанового литья обуславливается высокой температурой плавления и очень высокой химической активностью жидкого титана. Он пытается вступить в реакцию со всеми газами, содержащимися в воздухе. Поэтому литье титана традиционно проводили в атмосфере инертных газов. Для этого плавильные печи изолировали от атмосферы, нагнетая в них специальные газы и создавая избыточное давление.

Технология литья из титана

Впоследствии были разработаны вакуумные плавильни-литейные установки. Они объединяют в одном вакуумированном объеме, процессы расплавления металла, его литья и остывания отливки. Литье производится в графитовые формы. Наравне с этой технологией применяется и метод вакуумного литья по выплавляемым моделям. Используется также и технология оболочечного литья.

Современные методы литья позволяют получать прочные и однородные отливки, удовлетворяющие самым придирчивым конструктивным требованиям. Метод литья также обладает преимуществом перед механической обработкой на станках и сваркой лучшим коэффициентом использования металла. Многие производители стали шире применять литые детали вместо фрезерованных.

В художественном литье металл широкого применения не нашел из-за сложности производства. Широкую известность в мире искусства получила первая отлитая из титана статуя Юрия Гагарина в Москве.

Область применения титановых сплавов

Титан обладает прекрасными конструкционными свойствами: он прочен (вдвое прочнее алюминия), легок (почти вдвое легче стали), упруг, не ржавеет, хорошо выдерживает напряжения растяжения, сжатия и скручивания. От широкого применения легкого и прочного металла сдерживает его высокая стоимость и сложность обработки. Из титана делают самые ответственные высоконагруженные детали в аэрокосмической отрасли — там, где малый вес важнее высокой цены. Это как детали планера самолета, так и детали двигателя — крыльчатки нагнетателей и воздухозаборники.

Область применения титановых сплавов

Титан также широко применяется в производстве вооружений — от деталей стрелкового оружия и бронежилетов до корпусов подводных лодок, выдерживающих погружение на рекордные глубины в 1000 метров.

В нефтегазовой отрасли литье титановых сплавов применяется для изготовления труб и запорной арматуры для установок нефтегазодобычи, нефтепроводов и нефтегазоперерабатывающих заводов.

Прокат и литье из титана применяется также для производства деталей элитных и гоночных автомобилей и мотоциклов, велосипедов и часов.

Благодаря физиологической инертности из титановых сплавов делают также зубные и костные протезы.

Основные характеристики титановых сплавов

Высокая реакционная способность титана позволяет производить его сплавы со многими металлами, получая материалы со значительно улучшенными и даже уникальными свойствами.

Формы титана

Сплав с никелем Нитинол обладает эффектом «памяти формы» и широко используется в медицине и аэрокосмической отрасли

Нитинол

Суть эффекта памяти

Сплавы с алюминием отличаются стойкостью к продолжительному нагреву и коррозионной устойчивостью, что позволяет применять их в авиации и автостроении.

Сплав с барием используется как  газопоглотитель в электронно-лучевых трубках и высоковакуумных насосах.

Широко применяется сплав с алюминием. Ti-6Al-4V (или ВТ6), примерно  6% алюминия и около 4% ванадия. На него уходит почти половина производимого титана.

Ферротитан

Ферротитан (сплав с железом, содержащий 18—25% титана) используют при производстве стали для ее раскисления и для связывания неметаллических примесей

Титан используется и как присадка для легирования специальных сталей: высокопрочных, жаростойких и для особо тяжелых условий эксплуатации

Литье титана по выплавляемым моделям

Этот метод чаще применяется при литье отливки небольшого размера со сложной конфигурацией или тонкими стенками.

Литье титана по выплавляемым моделям

Модели изготавливаются из воска или полистирола. Модель полностью повторяет конфигурацию готового изделия, но имеет увеличенные на величину литейной усадки размеры. Модель также включает в себя небольшие вертикальные стержни до уровня засыпки формы, применяемые для формирования литьевых отверстий. Через литники в форму поступает расплавленный металл. Модели объединяют в блоки, которые помещают в опоку, которую заполняют высокодисперсным графитовым порошком. Уплотнение производится вибрационным методом. Для достижения лучшего уплотнения порошка уплотнение производят послойно. По готовности форму с блоком моделей помешают в вакуумированную камеру и заливают в нее расплав.

Раскаленный жидкий металл расплавляет материал модели и вытесняет его в виде газов прямо через стенки формы. Расплав заполняет форму, в точности повторяя все детали ее рельефа. Остывание отливок проводится по специальному графику, чтобы снизить вероятность возникновения остаточных напряжений в металле.

Материалы и оборудование для литья титана

Вследствие высокой активности нагретого титана для его литья приходится применять специфическое оборудование.

Плавильный агрегат и машина литья литейных форм размещаются в герметичной вакуумированной камере. Высокопроизводительные насосы откачивают как воздух на начальном этапе, так и удаляют газы, образующиеся при плавлении и отливке.

Машина для литья литейных форм

Обычные керамические тигли для плавки не подходят, вместо них используют графитовые. В электродуговых печах, где нагрев идет изнутри, используют охлаждаемые емкости, покрытые тонким слоем металлического титана — так называемые гарнисажи. Сверху в тигель опускается расходуемый электрод. Автоматическая подача поддерживает постоянное расстояние от электрода до поверхности расплава по мере его расходования.

Ниже тигля находится блок литейных установок, в который расплав подается под действием своего веса. Для улучшения распределения расплава по форме блок с формами может вращаться.

Время опрокидывания тигля определяется исходя из постоянно контролируемых параметров — температуры тиглей, давления, химического состава расплава.

Пресс-формы из графита

Пресс-формы делают из графита. В последнее время вместо дорогостоящих графитовых форм начинают применять формы из обычных огнеупорных материалов со специальным тонким защитным покрытием, препятствующим вступлению титана в реакцию.

Сложность технологических процессов, высокая цена оборудования и расходных материалов, высокая квалификация персонала делают процесс отливки титана доступным лишь для специализированных промышленных производств.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

%PDF-1.6 % 937 0 obj >]/Pages 898 0 R/QITE_DocInfo 934 0 R/Type/Catalog>> endobj 654 0 obj >stream 2015-01-14T13:32:09+06:00Microsoft® Word 20102015-01-15T10:17:22+06:002015-01-15T10:17:22+06:00application/pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Масленникова

uuid:d6ba2bb9-d09d-4b1f-80d5-66f0938c5659uuid:f492cf2b-2371-4541-b605-08ba316641aedefault1

converteduuid:b7212e7b-a6f2-4716-ba3f-47e407b8b731converted to PDF/A-1aPreflight2015-01-15T10:17:22+06:00

Microsoft® Word 20101A

http://ns. adobe.com/pdf/1.3/pdfAdobe PDF Schema

internalA name object indicating whether the document has been modified to include trapping informationTrappedText

http://ns.adobe.com/xap/1.0/mm/xmpMMXMP Media Management Schema

internalUUID based identifier for specific incarnation of a documentInstanceIDURI

internalThe common identifier for all versions and renditions of a document.OriginalDocumentIDURI

http://www.aiim.org/pdfa/ns/id/pdfaidPDF/A ID Schema

internalPart of PDF/A standardpartInteger

internalAmendment of PDF/A standardamdText

internalConformance level of PDF/A standardconformanceText

endstream endobj 959 0 obj > endobj 1879 0 obj > endobj 898 0 obj > endobj 934 0 obj > endobj 653 0 obj >stream HUn@}WxS} ؈XjpɥhkOa_@ү@֚93{v٥Gdi2hY»iȓŠu?q[䒞’7DZ

ck20TFfv%P=»5zE~74Yj-`(e@?

Фазовые превращения в титановых сплавах — «Тиком-М»

a -Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения a  «  b и расширяют область твердых растворов на основе a -титана (рис. 17.1, а). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой a -структурой термической обработкой не упрочняются.

Изоморфные b -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру a « b -пре-вращения и расширяют область твердых растворов на основе b -титана (рис. 17.1, 

б).

Эвтектоидообразующие b -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении b -фаза претерпевает эвтектоидное превращение b ® a + TiХ (рис. 17.1, в). Большинство 
b -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с (a + b ) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 17.1, г).

Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ¢ или при большей степени легированности — a ¢ ¢ . Кристаллическая структура a , a ¢ , a ¢ ¢ практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ¢ и a ¢ ¢ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1] , что решетка a ¢ ¢ -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a¢ и a ¢ ¢ выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.

Рис. 17.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы): 

а) «Тi-a -стабилизаторы»; 
б) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;
в) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»; 
г) «Тi-нейтральные элементы»

Рис. 17.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит a ¢ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием b -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис.

17.3). Она справедлива для изоморфных b -стабилизаторов (рис. 17.1, б) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих b -стабилизаторов (рис. 17.1, в), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.

Рис. 17.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-b -стабилизатор» в зависимости от скорости 
охлаждения и закалки из b -области

При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации b -стабилизаторов, могут быть получены структуры: a , a  + b или b соответственно.

При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур М_н–М_к

 (на рис. 17.3 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.

В первую группу входят сплавы с концентрацией b -стабилизирующих элементов до С₁, т.  е. сплавы, которые при закалке из b -области имеют исключительно a ¢ (a¢ ¢ )-структуру. После закалки этих сплавов с температур (a  + b )-области в интервале от полиморфного превращения до Т₁, их структура представляет собой смесь фаз a ¢ (a ¢ ¢ ), a и b , а после закалки с температур ниже Т_кр они имеют (a + b )-структуру.

Вторую группу составляют сплавы с концентрацией легирующих элементов от С₁ до С_кр, у которых при закалке из b -области мартенситное превращение не происходит до конца и они имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢ ) и b . Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Т_кр имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢ ), a и b , а с температур ниже 

Т_кр — структуру (a + b ).

Закалка сплавов третьей группы с концентрацией b -стабилизирующих элементов от С_кр до С₂ с температур b -области или с температур от полиморфного превращения до Т₂ сопровождается превращением части b -фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (b  + w ). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т₂ имеют структуру (b + a ).

Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно b -структуру, а с температур ниже полиморфного превращения — (b + a ).

Необходимо отметить, что превращения b  ®  b  + w может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (С_кр–С₂)_, так и при старении сплавов с концентрацией более С

2, имеющих метастабильную b -фазу. В любом случае, присутствие w -фазы нежелательно, так как она сильно охрупчивает титановые сплавы. Рекомендуемые режимы термообработки исключают ее присутствие в промышленных сплавах или появление в условиях эксплуатации.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т_пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b )-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b , a ¢ , a ¢ ¢ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a — и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a — и b -фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Титановые сплавы и их применение в машиностроении :: Книги по металлургии

ПРИМЕНЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ  ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Титан и его сплавы имеют сравнительно короткую историю применения в качестве конструкционных материалов. Несколько лет назад титан был известен лишь как легирующий элемент, с успехом применяемый в сталях и в других сплавах. Титан при­менялся также в виде карбида при производстве твердых сплавов и в виде окисла — в лакокрасочной промышленности для изго­товления титановых белил и эмалей.

Применение титана в качестве основы новых материалов — титановых сплавов — относится к периоду последних 10—15 лет. Тем не менее в этом новом качестве титан получил уже известное распространение. Можно сказать, что по темпам роста приме­нения титан и его сплавы не имеют равных. Конструкционные материалы на основе титана с успехом применяются в различных отраслях машиностроения, в судостроении, а также в производ­стве самолетов и двигателей для них.

Вместе с тем, несмотря на хорошие свойства при различных условиях эксплуатации, титан еще не получил широкого распро­странения в качестве конструкционного материала в общем маши­ностроении. Это объясняется его высокой стоимостью. Исполь­зование титановых сплавов ограничивается пока главным обра­зом различными областями специального машиностроения, например химическим машино- и аппаратостроением, авиацион­ным машиностроением, судостроением и т. д. В этих областях при оценке целесообразности применения нового материала на первый план выступают свойства титана и лишь затем ·— его стоимость. Безусловно, что в дальнейшем, с развитием и совершен­ствованием способов получения и обработки титана-и его сплавов, а также вследствие повышения требований к материалу деталей машин, сплавы на основе титана будут находить все более широкое применение не только в специальном, но и в общем машино­строении.

23. Преимущества титановых сплавов по сравнению с другими конструкционными материалами

Широкое и быстрое распространение титановых сплавов в качестве конструкционных материалов различного назначения объясняется теми преимуществами, которыми обладают титан и его сплавы по сравнению с другими материалами. Как уже отмечалось, к этим преимуществам относятся:

1. высокая температура плавления, являющаяся необходимым условием повышенной жаропрочности;
2. высокая прочность, низкий удельный вес и, как следствие этих двух качеств, высокая удельная прочность;
3. низкий коэффициент теплового расширения, обусловли­вающий хорошую сопротивляемость материала термической уста­лости;
4. высокая химическая стойкость, обеспечивающая применение титана и его сплавов в различных агрессивных средах;
5. высокая стойкость против эрозии и кавитации.

По величине предела прочности и модуля упругости, отнесен­ным к удельному весу, титановые сплавы намного превосходят другие конструкционные материалы. На фиг. 104 приведены гра­фики изменения удельной прочности различных материалов в зависимости от температуры. Как видно из этих графиков, титановый сплав ВТ8 имеет самое высокое отношение — во всем  рассматриваемом интервале температур. То же относится и к удельному модулю упругости — (фиг. 105).

По величине этой характеристики сплав ВТ8 в сравнении с дру­гими конструкционными материалами также является наилучшим. Таким образом, невысокое абсолютное значение модуля упругости   Титана, отмечаемой как недостаток, нивелируется пониженным удельным весом этого металла.

Если вспомнить то, что уже говорилось о других преимуще­ствах титана по механическим и физическим свойствам, а также по коррозионной стойкости, то станет ясно, что титановые сплавы имеют значительное превосходство перед другими конструкцион­ными материалами.

В обзоре А. А. Гольденберга [91] приводится интересный пример, иллюстрирующий преимущества титана перед нержавею­щей сталью. В этом примере сравнивается стоимость титана и не­ржавеющей стали на разных этапах производства и эксплуатации изделий.

Титан в 18 раз дороже нержавеющей — стали. Однако по­скольку вес титана, необходимого для изготовления конкрет­ного изделия (название изделия не приводится), меньше веса стали, то титан, идущий на изготовление детали, будет стоить дороже, чем сталь, уже не в 18, а в 10 раз. Далее, поскольку раз­ница в стоимости готовых изделий из титана и исходного мате­риала (титана) ниже, чем для стали, то готовые титановые изде­лия будут стоить больше, чем изделия из стали, уже только в три раза. Наконец, если учесть, что в ряде случаев срок службы изделий из титана во много раз выше срока службы стальных деталей, то применение титана в этих случаях оказывается более выгодным, чем применение стали.

24. Применение титана в специальном  и общем машиностроении

Применение титана и его сплавов в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей оборудования, приборов и аппаратов в специальном и общем машиностроении является значительным завоеванием научно-технической мысли и сущест­венным шагом по пути прогресса машиностроения. Поэтому рас­ширение использования титана в машиностроении как непосред­ственно — путем изыскания новых конкретных применений его для деталей машин, так и косвенно — путем совершенствования методов производства и обработки этого металла, имеет очень большое практическое и научное значение.

В настоящее время материалы на основе титана применяются или в форме листов, или в виде поковок. В качестве отливок титан и его сплавы применяются еще весьма ограниченно, чтб объяс­няется трудностью подбора материала для литейных форм. Листы изготовляются из технического титана или из однофазных а-спла- вов, легированных алюминием и оловом.

Техническим называется титан, в котором содержится неко­торое количество примесей (около одного процента), причем эти примеси введены не специально, с целью легирования, а практи­чески неизбежно присутствуют в металле в результате особенностей металлургического процесса. Как уже отмечалось, количество примесей в техническом титане зависит от способа его получения, причем нередко содержание кислорода преднамеренно допускается несколько завышенное с целью некоторого увеличения прочности металла.

Технический титан часто называют малолегированным много­компонентным титановым сплавом. Однако этот сплав в ряде слу­чаев является недостаточно прочным, а повышение прочности за счет увеличения количества примесей вызывает значительное понижение пластичности. Вследствие этого приходится переходить к сплавам, легированным алюминием и оловом. Эти элементы, каждый в отдельности и оба вместе, растворяясь в α-титане, повы­шают его прочность без существенного снижения пластичности, благодаря чему получаемые сплавы могут быть прокатаны в лист, как и технический титан, но имеют значительно более высокую прочность.

Для поковок применяют главным образом двухфазные сплавы, имеющие структуру α + β. Эти сплавы сравнительно легко обра­батываются и могут упрочняться путем термической обработки. Они имеют значительно более высокие свойства прочности при меньшей пластичности по сравнению с однофазными а-сплавами.

Применяемые в настоящее время титановые сплавы по своим технологическим свойствам являются деформируемыми. Вместе с тем в случае необходимости они могут применяться и в качестве литейных.

Деформируемые титановые сплавы подразделяются на две группы:

1. ковочно-штамповочные и прокатываемые, имеющие доста­точную технологическую пластичность в горячем состоянии; к этой группе относятся сплавы ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8 и др. ;
2. прокатываемые в листы и ленты, имеющие превосходную пластичность в горячем состоянии и способные деформироваться при обычной температуре; к этой группе относятся сплавы ВТ4, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и др.

Все листовые сплавы(ВТ4, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и др.) хорошо свариваются аргоно-дуговой сваркой, а сплавы ВТБ и ВТ6 — еще и контактной (точечной, роликовой, стыковой). Ковочно­штамповочные титановые сплавы сварке не подвергаются.

Титан и его сплавы применяют после тщательного учета всех положительных и отрицательных качеств этих материалов. При этом обращают внимание как на эксплуатационные свойства, так и на технологические особенности. Учитывается также и экономи­ческий фактор.

Принимая во внимание пока еще высокую стоимость титана, его применяют главным образом в тех случаях, когда первосте­пенную роль играет не экономический фактор, а комплекс техни­ческих и эксплуатационных характеристик материалов на основе титана. Тем не менее перечень областей, где применение титана в той или иной мере уже развернулось или, по крайней мере, достаточно четко обозначилось, является весьма обширным.

В первую очередь титан и его сплавы были применены и в настоящее время получили довольно широкое распространение в конструкциях самолетов и двигателей для них. Они интенсивно внедряются в конструкции кораблей и оборудования морского флота, применяются для различных деталей в химическом машино­строении и аппаратострсении, для изготовления транспортного оборудования, медицинских инструментов и фармацевтического оборудования. Намечается использование титана и его сплавов в общем машиностроении, в автомобилестроении, при производстве спортивного инвентаря, в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также во многих других специальных обла­стях. Ниже по литературным источникам [2; 45; 108; 109; 81—90; 60] приводятся краткие сведения о применении титана и его спла­вов в некоторых из указанных областей, причем рассматривается использование этих материалов в таких отраслях промышленности, которые на первый взгляд не имеют непосредственного отноше­ния к машиностроению. Это сделано с целью более наглядного показа преимуществ титана перед другими конструкционными материалами, а также для облегчения правильной оценки возмож­ностей титановых сплавов как машиностроительных материалов.

Самолеты и двигатели. Основными качествами титановых сплавов, привлекающими внимание конструкторов самолетов и двигателей для них, являются малый удельный вес и высокая прочность, особенно при повышенных температурах. Конечно, титан и его сплавы не решают всех проблем, возникающих при конструировании самолетов и двигателей. Каждая группа мате­риалов, будь то стали или алюминиевые сплавы, находит свое специфическое применение, соответствующее свойствам этих мате­риалов. Тем не менее по величине удельной прочности в интервале температур 300—500° титановые сплавы превосходят многие стали и алюминиевые сплавы, а по удельному напряжению потери устойчивости панелей конструкций они уступают лишь высоко­прочному алюминиевому сплаву типа В95, причем только до тем­пературы 15Э°, а при более высоких температурах превосходят его [60].

Поэтому в конструкциях самолетов, предназначенных для полетов со сверхзвуковыми скоростями и испытывающих аэро­динамический нагрев, а также в конструкциях реактивных дви­гателей титановые сплавы находят все более широкое применение. При этом достигается снижение веса без потери прочности, что позволяет увеличить полезную нагрузку и дальность полета самолета.

Многочисленные исследования и эксперименты, проведенные в последние годы, говорят о целесообразности использования титановых сплавов для обшивки самолетов, скорости которых соответствуют числу Ма = 3 — 3,5 [88]. Кроме того, титановые сплавы используются Для швеллеров, рам, угольников, поясов шпангоутов, противопожарных перегородок и других деталей внутреннего набора самолета, работающих при температуре до 420°.

На фиг. 106 по данным фирмы Рем-Крю Тайтениум [21 представлена схема реактивного самолета F-2 с отмеченными на ней деталями, изготовленными из титана. Этими деталями являются шпангоуты, кожухи, ленты, балки, коробки, каркас и выходное сопло. Из листовых титановых сплавов изготовляют шпангоуты фюзеляжа, нервюры, элементы жесткости и другие детали каркаса фюзеляжа.

Масштабы использования титана в конструкциях тяжелых самолетов иллюстрируются данными о количестве и общем весе деталей из титана на самолетах Дуглас и на других [83]. Коли­чество деталей из титана на самолетах Комета, Дуглас DC-7 и Дуглас DC 7-С составляет 554 шт., а общий вес их — 363 кГ. У самолета Дуглас ДС-8 вес титановых деталей 428 кГ, а у само­лета Бристоль Британия 100 — до 1225 кГ. Для реактивных двигателей титан применяется как в виде листов, так и, глав­ным образом, в виде поковок. На фиг. 107 по данным фирмы Вестингауз [2] представлена схема реактивного двигателя с осе­вым компрессором, на которой отмечены детали, изготовляемые из титановых сплавов, а именно: диски и лопатки компрессора, листовые детали наружного кожуха двигателя, болты, валы и др.

Для производства поковок, листов и проволоки используется сплав B120VCA, содержащий 13% V, 11 % Сг и 3% А1 и имеющий структуру β. Он обладает хорошей деформируемостью, легко сва­ривается, подвергается упрочнению закалкой и старением и может быть использован для изготовления сотовых панелей. В течение 2—3 мин. этот сплав может быть использован при температурах до 815° [85].

Для авиационных деталей, изготовляемых штамповкой, и в частности для сотовых панелей, может применяться сплав C105VA, содержащий 16% V и 2,5% А1. Он выпускается в виде листов, полос и проволоки и обладает настолько хорошей пластичностью, что может быть прокатан в фольгу [84]. Для изго­товления сотовых панелей может применяться также сплав MST-185, содержащий 1 % А1, 8% V и 5% Fe и являющийся достаточно прочным в отожженном состоянии [86].

Для деталей реактивных двигателей и самолетов при ско­ростях, соответствующих 3 Ма, рекомендуется сплав MST-881, содержащий 8% А1, 8% Zr и 1 % Та и Nb [87]. Этот сплав имеет высокую длительную прочность до 590° и высокую кратковремен­ную прочность до 815°. По своим механическим свойствам он пре­восходит многие стали.

Сплав марки 821, содержащий 8% А1, 2% Nb и 1 % Та, обла­дает повышенной жаропрочностью, хорошо сваривается и может применяться для обшивки самолетов, а также для дисков и лопаток компрессоров газовых турбин. Изготовление из титана деталей ротора компрессора способствует уменьшению напряжений от цен­тробежных сил. Поэтому титановые сплавы в большом количестве идут для изготовления лопаток компрессора.

Титан, примененный в авиационном производстве Англии в 1956 г., был использован для следующих целей: 40% — прутки для лопаток компрессора, 20%—листы для противопожарных перегородок, 20% — листы для капотов двигателей, 5% — поковки для дисков компрессора и распорных колец, 5% — поковки для самолетных деталей и 10%—для других назначений. По сооб­щению представителя фирмы Imperial Chemical Industries [45], около 90% всего производства титана в Англии потребляется авиационной промышленностью. Это говорит о том, что в настоящее время главным потребителем титана и его сплавов является авиация.

Титановый сплав — Titanium alloy

Титановые сплавы — это сплавы , содержащие смесь титана и других химических элементов . Такие сплавы обладают очень высокой прочностью на разрыв и ударной вязкостью (даже при экстремальных температурах). Они легкие, обладают исключительной коррозионной стойкостью и способны выдерживать экстремальные температуры. Однако высокая стоимость как сырья, так и обработки ограничивает их использование в военных целях, самолетах , космических кораблях , велосипедах , медицинских устройствах, ювелирных изделиях, сильно нагруженных компонентах, таких как шатуны на дорогих спортивных автомобилях, а также в некотором спортивном оборудовании премиум- класса и бытовой электронике .

Хотя «коммерчески чистый» титан имеет приемлемые механические свойства и использовался для ортопедических и дентальных имплантатов , для большинства применений титан легируют небольшими количествами алюминия и ванадия , обычно 6% и 4% соответственно по весу. Эта смесь имеет растворимость в твердом веществе, которая резко меняется с температурой, что позволяет ей претерпевать осаждение . Этот процесс термообработки выполняется после того, как сплаву придана его окончательная форма, но до того, как он будет использован, что значительно упрощает изготовление высокопрочного продукта.

Категории

Титановые сплавы обычно делятся на четыре основные категории:

• Альфа-сплавы, содержащие только нейтральные легирующие элементы (например, олово ) и / или альфа-стабилизаторы (например, алюминий или кислород ). Они не подлежат термической обработке. Примеры включают: Ti-5Al-2Sn-ELI, Ti-8Al-1Mo-1V.
• Сплавы, близкие к альфа, содержат небольшое количество пластичной бета-фазы. Помимо стабилизаторов альфа-фазы, сплавы, близкие к альфа-фазам, легированы 1–2% стабилизаторов бета-фазы, таких как молибден, кремний или ванадий. Примеры включают: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo, IMI 685, Ti 1100.
• Альфа- и бета-сплавы, которые являются метастабильными и обычно включают некоторую комбинацию как альфа-, так и бета-стабилизаторов, и которые можно подвергать термообработке. Примеры включают: Ti-6Al-4V , Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb .
• Бета- и близкие к бета-сплавам, которые являются метастабильными и которые содержат достаточно бета-стабилизаторов (таких как молибден, кремний и ванадий), чтобы позволить им сохранять бета-фазу при закалке, и которые также можно обрабатывать в растворе и выдерживать для повышения прочности. Примеры включают: Ti-10V-2Fe-3Al , Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Beta C, Ti-15-3.

Бета-титан

Бета-титановые сплавы демонстрируют ОЦК аллотропную форму титана (называемую бета). Элементы, используемые в этом сплаве, представляют собой один или несколько из следующих элементов, кроме титана в различных количествах. Это молибден , ванадий , ниобий , тантал , цирконий , марганец , железо , хром , кобальт , никель и медь .

Титановые сплавы обладают отличной формуемостью и легко поддаются сварке.

Бета-титан в настоящее время широко используется в ортодонтии и был принят в ортодонтии в 1980-х годах. Этот тип сплава заменил нержавеющую сталь в некоторых случаях, поскольку нержавеющая сталь преобладала в ортодонтии с 1960-х годов. Он имеет отношение прочности / модуля упругости почти в два раза по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью 18-8, большие упругие прогибы пружин и уменьшенное усилие на единицу смещения в 2,2 раза ниже, чем у приборов из нержавеющей стали.

Некоторые из бета-титановых сплавов могут превращаться в твердый и хрупкий гексагональный омега-титан при криогенных температурах или под воздействием ионизирующего излучения.

Температура перехода

Кристаллическая структура титана при температуре и давлении окружающей среды представляет собой плотноупакованную гексагональную α-фазу с отношением ас / а 1,587. При температуре около 890 ° C титан подвергается аллотропному превращению в объемноцентрированную кубическую β-фазу, которая остается стабильной до температуры плавления.

Некоторые легирующие элементы, называемые альфа-стабилизаторами, повышают температуру перехода из альфа в бета , в то время как другие (бета-стабилизаторы) понижают температуру перехода. Алюминий, галлий , германий , углерод , кислород и азот являются альфа-стабилизаторами. Бета-стабилизаторами являются молибден , ванадий , тантал , ниобий , марганец , железо , хром , кобальт , никель , медь и кремний .

Свойства

Как правило, титан с бета-фазой является более пластичной фазой, а альфа-фаза сильнее, но менее пластична из-за большего количества плоскостей скольжения в ОЦК- структуре бета-фазы по сравнению с альфа-фазой ГПУ . Титан с альфа-бета-фазой имеет промежуточные механические свойства.

Диоксид титана растворяется в металле при высоких температурах, и его образование происходит очень энергично. Эти два фактора означают, что весь титан, за исключением наиболее тщательно очищенного, имеет значительное количество растворенного кислорода и поэтому может считаться сплавом Ti – O. Оксидные выделения обладают некоторой прочностью (как обсуждалось выше), но не очень чувствительны к термической обработке и могут существенно снизить ударную вязкость сплава.

Многие сплавы также содержат титан в качестве незначительной добавки, но поскольку сплавы обычно классифицируются в зависимости от того, какой элемент составляет большую часть материала, они обычно не считаются «титановыми сплавами» как таковыми. См. Подраздел, посвященный применению титана . Коммерческие сорта титана (чистота 99,2%) имеют предел прочности на разрыв около 434 МПа, что соответствует пределу прочности обычных низкосортных стальных сплавов, но они менее плотны. Титан на 60% плотнее алюминия, но более чем в два раза прочнее наиболее часто используемого алюминиевого сплава 6061-T6. Титаном, используемым для поверхностного легирования нержавеющей стали AISI304, был лист CP-Ti, сорт 2, толщиной 300 мкм.

Сам по себе титан — прочный и легкий металл. Он прочнее обычных низкоуглеродистых сталей, но на 45% легче. Он вдвое прочнее слабых алюминиевых сплавов, но только на 60% тяжелее. Титан обладает исключительной коррозионной стойкостью к морской воде, поэтому он используется в гребных валах, такелажном оборудовании и других частях лодок, которые подвергаются воздействию морской воды. Титан и его сплавы используются в самолетах, ракетах и ​​ракетах, где важны прочность, малый вес и устойчивость к высоким температурам. Кроме того, поскольку титан не вступает в реакцию в организме человека, он и его сплавы используются в искусственных суставах, винтах и ​​пластинах для переломов, а также для других биологических имплантатов. См. Титан # Ортопедические имплантаты .

Марки титана

ASTM International стандарт на ссылках трубы титана и титанового сплава бесшовных следующие сплавов, требующих следующее лечение:

«Сплавы могут поставляться в следующих условиях: марки 5, 23, 24, 25, 29, 35 или 36 — отожженные или состаренные; марки 9, 18, 28 или 38 — холоднодеформированные и подвергнутые снятию напряжений или отожженные; марки 9 , 18, 23, 28 или 29 состояние с трансформированным бета-бета и классы 19, 20 или 21, обработанные раствором или обработанные раствором и состарившиеся «.

«Примечание 1 — материал класса H идентичен соответствующему числовому классу (то есть сорт 2H = сорт 2), за исключением более высокого гарантированного минимального UTS , и всегда может быть сертифицирован как отвечающий требованиям его соответствующего числового класса. Классы 2H, 7H, 16H и 26H предназначены в первую очередь для использования в сосудах высокого давления ».

«Уровни H были добавлены в ответ на запрос ассоциации пользователей, основанный на исследовании более 5200 коммерческих отчетов об испытаниях уровней 2, 7, 16 и 26, из которых более 99% соответствовали минимальному UTS 58 тысяч фунтов на квадратный дюйм».

1-й класс

это самый пластичный и самый мягкий титановый сплав. Это хорошее решение для холодной штамповки и агрессивных сред. ASTM / ASME SB-265 обеспечивает стандарты для технически чистого титанового листа и листа.

2 класс

Нелегированный титан, стандартный кислород.

Оценка 2H

Нелегированный титан (класс 2 с UTS минимум 58 тыс. Фунтов на кв. Дюйм).

3-й степени

Титан нелегированный, средний кислород.

Сорта 1-4 являются нелегированными и считаются коммерчески чистыми или «CP». Обычно предел прочности на растяжение и предел текучести увеличивается с номером для этих «чистых» марок. Различие в их физических свойствах в первую очередь связано с количеством межузельных элементов . Они используются для обеспечения устойчивости к коррозии, когда важны стоимость, простота изготовления и сварки.

Сорт 5 также известен как Ti6Al4V , Ti-6Al-4V или Ti 6-4

не путать с Ti-6Al-4V-ELI (класс 23), это наиболее часто используемый сплав. Он имеет химический состав: 6% алюминия, 4% ванадия, 0,25% (максимум) железа , 0,2% (максимум) кислорода и остальное титан. Он значительно прочнее, чем технически чистый титан (сорта 1-4), но при этом имеет такую ​​же жесткость и термические свойства (за исключением теплопроводности, которая примерно на 60% ниже у титана сорта 5, чем у CP Ti). Среди его многих преимуществ, он поддается термической обработке. Этот сорт представляет собой отличное сочетание прочности, коррозионной стойкости, свариваемости и технологичности.

«Этот альфа-бета сплав является основным сплавом титановой промышленности. Сплав полностью поддается термообработке с размерами сечения до 15 мм и используется при температуре примерно до 400 ° C (750 ° F). Поскольку он является наиболее часто используемым сплав — более 70% всех сплавов являются субсортным Ti6Al4V, его использование охватывает многие виды использования в аэрокосмических конструкциях и компонентах двигателей, а также в основных неавиационно-космических приложениях, в частности, в морской, морской и энергетической отраслях «.

« Применение : лопасти, диски, кольца, планеры, крепежные детали, компоненты. Сосуды, корпуса, ступицы, поковки. Биомедицинские имплантаты».

Обычно Ti-6Al-4V используется при температурах до 400 градусов Цельсия. Он имеет плотность примерно 4420 кг / м ³ , модуль Юнга 120 ГПа и предел прочности при растяжении 1000 МПа. Для сравнения, отожженная нержавеющая сталь типа 316 имеет плотность 8000 кг / м ³ , модуль 193 ГПа и предел прочности при растяжении 570 МПа. Закаленный алюминиевый сплав 6061 имеет плотность 2700 кг / м ³ , модуль упругости 69 ГПа и предел прочности на разрыв 310 МПа соответственно.

Стандартные технические характеристики Ti-6Al-4V включают:

• АМС: 4911, 4928, 4965, 4967, 6930, 6931, Т-9046, Т9047
• ASTM: B265, B348, F1472
• MIL: T9046 T9047
• ДМС: 1592, 1570

Уровень 6

содержит 5% алюминия и 2,5% олова. Он также известен как Ti-5Al-2.5Sn. Этот сплав используется в планерах и реактивных двигателях благодаря хорошей свариваемости, стабильности и прочности при повышенных температурах.

7 класс

содержит от 0,12 до 0,25% палладия . Этот сорт аналогичен сорт 2. Небольшое количество добавленного палладия придает ему повышенную стойкость к щелевой коррозии при низких температурах и высоком pH .

Оценка 7H

идентичен Grade 7 с повышенной коррозионной стойкостью.

9 класс

содержит 3,0% алюминия и 2,5% ванадия. Этот сорт представляет собой компромисс между простотой сварки и производства «чистых» марок и высокой прочностью класса 5. Он обычно используется в трубопроводах для гидравлики самолетов и в спортивном оборудовании.

11 класс

содержит от 0,12 до 0,25% палладия. Этот сорт обладает повышенной устойчивостью к коррозии.

12 класс

содержит 0,3% молибдена и 0,8% никеля.

13 , 14 и 15 классы

все содержат 0,5% никеля и 0,05% рутения .

16 класс

содержит от 0,04 до 0,08% палладия. Этот сорт обладает повышенной устойчивостью к коррозии.

Класс 16H

содержит от 0,04 до 0,08% палладия.

17 класс

содержит от 0,04 до 0,08% палладия. Этот сорт обладает повышенной устойчивостью к коррозии.

18 класс

содержит 3% алюминия, 2,5% ванадия и 0,04-0,08% палладия. Этот сорт идентичен 9-му по механическим характеристикам. Добавленный палладий придает ему повышенную коррозионную стойкость.

19 класс

содержит 3% алюминия, 8% ванадия, 6% хрома, 4% циркония и 4% молибдена.

20 класс

содержит 3% алюминия, 8% ванадия, 6% хрома, 4% циркония, 4% молибдена и от 0,04% до 0,08% палладия.

21 класс

содержит 15% молибдена, 3% алюминия, 2,7% ниобия и 0,25% кремния.

Сорт 23 также известен как Ti-6Al-4V-ELI или TAV-ELI.

содержит 6% алюминия, 4% ванадия, 0,13% (максимум) кислорода. ELI расшифровывается как Extra Low Interstitial. Уменьшение количества примесных элементов, кислорода и железа, улучшает пластичность и вязкость разрушения при некотором снижении прочности. TAV-ELI — это наиболее часто используемый титановый сплав для медицинских имплантатов .

Стандартные спецификации Ti-6Al-4V-ELI включают:

• AMS: 4907, 4930, 6932, T9046, T9047
• ASTM: B265, B348, F136
• MIL: T9046 T9047

24 класс

содержит 6% алюминия, 4% ванадия и от 0,04% до 0,08% палладия.

25 класс

содержит 6% алюминия, 4% ванадия и от 0,3% до 0,8% никеля и от 0,04% до 0,08% палладия.

Сорта 26 , 26H и 27

все содержат от 0,08 до 0,14% рутения.

28 класс

содержит 3% алюминия, 2,5% ванадия и 0,08–0,14% рутения.

29 класс

содержит 6% алюминия, 4% ванадия и от 0,08 до 0,14% рутения.

30 и 31 классы

содержат 0,3% кобальта и 0,05% палладия.

32 класс

содержит 5% алюминия, 1% олова, 1% циркония, 1% ванадия и 0,8% молибдена.

33 и 34 классы

содержат 0,4% никеля, 0,015% палладия, 0,025% рутения и 0,15% хрома.

35 класс

содержит 4,5% алюминия, 2% молибдена, 1,6% ванадия, 0,5% железа и 0,3% кремния.

36 класс

содержит 45% ниобия.

37 класс

содержит 1,5% алюминия.

38 класс

содержит 4% алюминия, 2,5% ванадия и 1,5% железа. Этот сорт был разработан в 1990-х годах для использования в качестве брони. Железо снижает количество ванадия, необходимого в качестве бета-стабилизатора. Его механические свойства очень похожи на сорт 5, но обладают хорошей обрабатываемостью в холодном состоянии, как с сорт 9.

Термическая обработка

Титановые сплавы подвергаются термообработке по ряду причин, главными из которых являются повышение прочности за счет обработки на твердый раствор и старение, а также оптимизация специальных свойств, таких как вязкость разрушения, усталостная прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах.

Альфа- и почти-альфа-сплавы нельзя кардинально изменить термической обработкой. Снятие напряжений и отжиг — это процессы, которые можно использовать для этого класса титановых сплавов. Циклы термообработки для бета-сплавов значительно отличаются от циклов для альфа- и альфа-бета-сплавов. Бета-сплавы можно не только снимать напряжения или отжигать, но также можно обрабатывать на твердый раствор и состаривать. Альфа-бета-сплавы представляют собой двухфазные сплавы, содержащие как альфа-, так и бета-фазы при комнатной температуре. Фазовый состав, размеры и распределение фаз в альфа-бета-сплавах можно изменять в определенных пределах с помощью термообработки, что позволяет изменять свойства.

Альфа и почти альфа сплавы

На микроструктуру альфа-сплавов нельзя сильно повлиять термической обработкой, так как альфа-сплавы не претерпевают значительных фазовых изменений. В результате альфа-сплавы термообработкой не получают высокой прочности. Тем не менее, альфа- и почти альфа-титановые сплавы можно снимать напряжения и отжигать.

Альфа-бета сплавы

Путем обработки альфа-бета сплавов, а также термической обработки ниже или выше температуры альфа-бета перехода могут быть достигнуты большие микроструктурные изменения. Это может привести к значительному затвердеванию материала. Обработка раствором плюс старение используется для получения максимальной прочности альфа-бета-сплавов. Кроме того, для этой группы титановых сплавов практикуются и другие термические обработки, включая термообработку для снятия напряжений.

Бета-сплавы

В коммерческих бета-сплавах можно комбинировать процедуры снятия напряжений и старения.

Титановые сплавы по применению или использованию

Аэрокосмические конструкции

Титан регулярно используется в авиации из-за его устойчивости к коррозии, его отличных жаропрочных свойств, а также чрезвычайно высокой прочности, при этом он легкий по сравнению со сталью или более слабый и уступающий во многих отношениях алюминию.

Архитектурная облицовка

Титановые сплавы, используемые в биомедицине

Титановая пластина на запястье

Титановые сплавы широко используются для изготовления металлических ортопедических суставов и операций на костных пластинах. Обычно они производятся из кованого или литого прутка с помощью ЧПУ , автоматизированной обработки или порошковой металлургии . У каждого из этих методов есть свои преимущества и недостатки. Кованые изделия сопровождаются значительными потерями материала во время механической обработки для придания окончательной формы изделия, а для литых образцов получение изделия в его окончательной форме несколько ограничивает дальнейшую обработку и обработку (например, дисперсионное твердение ), но литье более эффективно для материала. Традиционные методы порошковой металлургии также более эффективны в отношении материалов, но получение полностью плотных продуктов может быть обычной проблемой.

С появлением технологии изготовления твердых тел произвольной формы ( 3D-печать ) появилась возможность изготавливать биомедицинские имплантаты индивидуальной конструкции (например, тазобедренные суставы). Хотя в настоящее время он не применяется в более крупных масштабах, методы изготовления произвольной формы предлагают возможность рециркуляции отработанного порошка (из производственного процесса) и позволяют избирательно настраивать желаемые свойства и, следовательно, рабочие характеристики имплантата. Электронно-лучевая плавка (EBM) и селективная лазерная плавка (SLM) — это два метода, применимых для изготовления сплавов Ti произвольной формы. Производственные параметры сильно влияют на микроструктуру продукта, где, например, высокая скорость охлаждения в сочетании с низкой степенью плавления в SLM приводит к преимущественному образованию мартенситной альфа-первичной фазы, что дает очень твердый продукт.

Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI

Этот сплав обладает хорошей биосовместимостью, не является ни цитотоксичным, ни генотоксичным. Ti-6Al-4V имеет низкую прочность на сдвиг и плохие свойства поверхностного износа в определенных условиях нагружения:

Биосовместимость : отличная, особенно когда требуется прямой контакт с тканью или костью. Низкая прочность на сдвиг Ti-6Al-4V делает его нежелательным для костных винтов или пластин. Он также имеет плохие свойства поверхностного износа и имеет тенденцию к заеданию при скользящем контакте с собой и другими металлами. Обработка поверхности, такая как азотирование и окисление, может улучшить износостойкость поверхности.

Ti-6Al-7Nb

Этот сплав был разработан как биомедицинская замена Ti-6Al-4V, потому что Ti-6Al-4V содержит ванадий, элемент, который продемонстрировал цитотоксические эффекты при выделении. Ti-6Al-7Nb содержит 6% алюминия и 7% ниобия.

Ti6Al7Nb — это специальный высокопрочный титановый сплав с превосходной биосовместимостью для хирургических имплантатов. Используется для замены тазобедренных суставов, в клинической практике применяется с начала 1986 года.

Ссылки

Примечания

Источники

внешние ссылки

Технический титан и его сплавы

18.12.14 г.

В сегодняшней статье речь пойдет о достоинствах и недостатках технического титана и его смесей с некоторыми другими материалами.

Техническим обычно называют титан, полученный не природным, а промышленным способом. Большинство его физических свойств совпадает с обычным титаном, а главное отличие состоит в наличии минимального количества примесей (железа, углерода, водорода и т.д.).

Технический титан представляет собой достаточно легкий (почти вдвое легче железа) металл серо-стального цвета. Плавиться он начинает при температуре 1700 градусов Цельсия, а по прочности превосходит высококачественную сталь в полтора раза. Металл характеризуется такой высокой пластичностью, что его несложно раскатать на листы (в частности, производят даже специальную фольгу из этого материала).

Технический титан отлично выдерживает механическую нагрузку, но при этом остается весьма ковким. Он практически не подвержен коррозийным процессам и не растворяется даже в  смеси азотной и соляной кислот (т.н. «царской водке»).

Главный недостаток технического титана – высокая цена, превышающая стоимость высококачественной стали, по крайне мере, в три раза.

 Взаимодействие с алюминием и железом

 Всего существует около полусотни химических элементов, которые хорошо взаимодействуют с титаном. Однако наиболее часто для сплавов применяются алюминий и железо.

Сплав технического титана с алюминием (даже в пропорции 9:1) позволяет получить весьма жаростойкий материал с высоким модулем упругости. Такие смеси начинают плавиться при температуре чуть ниже, чем чистый титан, однако магнитные свойства вещества заметно улучшаются.

Ферротитан (такое название получила смесь технического титана с железом) активно применяется на промышленном производстве для раскисления стали. С его помощью из ее состава стали выводят азот и добиваются образования мелкозернистой структуры, характерной для высококачественного стального проката.

 Смеси с медью, марганцем и другими металлами

 Как и в случае с железом, купро-титан (сплав с медью) чаще всего используется для «облагораживания» медных расплавов путем выведения из них кислорода и азота. В составе этого сплава содержится всего 5-12% технического титана. Смесь с содержанием менее 5% этого прочного материала используется для легирования стали.

А марганец добавляется в формулу для легирования уже самого технического титана (концентрация марганца при этом не должна превышать 1,5%). Для получения т.н. мангантитана в сплаве должно содержаться около 30% Mn.

Также технический титан нередко смешивают с хромом, молибденом и некоторыми другими материалами для повышения жаропрочности при сохраненной высокой пластичности материала.

Свойства титанового сплава

(подробное руководство)

Описание

Титан используется во многих отраслях промышленности, особенно в авиации, военном деле и космосе. Титановые сплавы почти так же прочны, как нержавеющая сталь, но намного легче (примерно на 45%). При этом они немного тяжелее алюминия, но почти вдвое прочнее. Ti-6Al-4V (содержит 6% алюминия и около 4% ванадия) — один из наиболее распространенных титановых сплавов благодаря коррозионной стойкости, высокой прочности и легкому весу.Его можно использовать как в аэрокосмической, так и в медицинской сфере. Кроме того, такой сплав обладает исключительной термостойкостью и химической стойкостью, а также является биосовместимым, что означает, что он может использоваться в здравоохранении (точнее говоря, Ti-6Al-4V Eli версия этого сплава, поскольку он имеет E xtra L ow I nterstitials) идеально подходит для имплантатов и протезирования.

3D-печать с титаном

Для процессов 3D-печати на металле, таких как DMLS, SLM и EBS, используется порошок сплава Ti6Al4V.Он имеет размер частиц от 45 до 100 микрон. Благодаря широким возможностям аддитивного производства этот материал используется для создания сложных деталей и индивидуальных имплантатов.

Обработка с ЧПУ Титановые детали

Титановые сплавы, в том числе 6Al4V, довольно трудно обрабатывать. Однако при соблюдении надлежащих процедур титан можно производить, используя методы не более сложные, чем те, которые используются для обработки нержавеющей стали.

Общее применение

• Имплантаты
• Протезы
• Аэрокосмическая промышленность
• Военное оборудование
• Морское применение
• Химическая промышленность
• Газовые турбины

Преимущества

• Малый вес
• Термостойкость
• Химическая стойкость
• Коррозионная стойкость
• Биосовместимость

Недостатки

• Высокая стоимость
• Трудно обрабатывается
• Трудно литье

Часто задаваемые вопросы о титане

1. Титан прочнее стали?

   Сталь прочнее титана и является предпочтительным вариантом, когда важна прочность, а вес не имеет значения.Титан предпочтителен там, где требуется легкий и прочный материал. Он может выдерживать очень высокие и очень низкие температуры.

2. Титан пуленепробиваемый?

   По данным DemolitionRanch, титановая пластина может выдерживать пули с маленькими дробовиками вплоть до бронебойных пуль с черным наконечником 50 калибра.

3. Титан проводящий?

   Титан — слабый проводник электричества и тепла.

4. Титан легче алюминия?

   Титан примерно на 60% тяжелее алюминия, но почти вдвое прочнее.

Что такое титановый сплав? (с иллюстрациями)

Титановый сплав — это металлический материал, состоящий из титана, смешанного с другими металлами, обычно небольшими количествами палладия, ванадия, алюминия и / или олова. Эти металлы обладают улучшенными свойствами по сравнению с чистым титаном, такими как коррозионная стойкость, хорошая свариваемость (технологичность), стабильность и прочность при повышенных температурах. Чистый титан очень твердый, поэтому его сложно сваривать и формировать.

Титановые сплавы часто используются в высокопроизводительных самолетах, таких как Lockheed Martin F-22 Raptor.

Единственное типичное применение чистого титана — ортопедические и дентальные имплантаты, в то время как множество других применений титана, включая аэрокосмическую технику, высокотемпературные двигатели, медицинскую и морскую обработку, а также спортивное оборудование, используют титановый сплав. Многие сплавы других металлов также содержат небольшое количество титана, но они не считаются титановыми сплавами, если титан не составляет большую часть вещества.

Титановые сплавы могут использоваться в медицинских имплантатах.

Титан часто считают чудо-металлом из-за его высокой прочности и легкости. Примерно такой же прочный, как сталь, и вдвое прочнее алюминия, титан на 45% легче стали и только на 60% тяжелее алюминия. Он также имеет то преимущество, что не вступает в реакцию с человеческим телом, что делает его идеальным для медицинских имплантатов, таких как шпильки, для удержания сломанных костей.Однако его высокая стоимость ограничила его использование.

Титан относительно часто встречается в земной коре, составляя около 0,57% (9-й по частоте элемент), но извлекается из его руд — минералов рутил (TiO ₂ ), ильменита (FeTiO ₃ ) и сфена. (CaTiSiO ₅ ) — может быть дорогим из-за необходимости большого количества тепла.Элементарный титан был впервые выделен в чистом виде только в 1910 году, когда Мэтью А. Хантер нагрел TiCl ₄ с натрием при 800 ° C (1472 ° F).

Существует 38 распространенных типов титановых сплавов, но типичная смесь состоит из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия.Эта смесь называется Grade 5. Есть титан марок с 1 по 38, причем 38 из них были изобретены совсем недавно. Марки не указывают на прочность или что-то еще, они просто используются для удобства, хотя более ранние марки были первыми, которые обычно производились. Титан Grade 5 также известен как Titanium 6AL-4V , который считается подходящим для использования в военных целях. Этот сорт титанового сплава стабилен при температурах до 400 ° C (752 ° F), при этом обычно используются турбины самолетов, которые очень быстро вращаются и сильно нагреваются.

Помимо того, что титановый сплав широко используется в военной технике, его можно найти в шатунах в высококлассных автомобилях, таких как Porsche и Ferrari. Наличие этих металлов является частью того, что делает эти автомобили такими дорогими, но при этом надежными и способными развивать высокие скорости. Аналогичным высококачественным материалом, используемым в продуктах премиум-класса, является углеродное волокно.

Титановые сплавы могут использоваться для восстановления костей или суставов после перелома или другой травмы.

Титан и титановые сплавы как биоматериалы

Элементарный металлический титан был впервые обнаружен в Англии Уильямом Грегором в 1790 году, но в 1795 году Клапрот дал ему название титана.Сочетание низкой плотности, высокого отношения прочности к весу, хорошей биосовместимости и повышенной коррозионной стойкости с хорошей пластичностью и механическими свойствами определяет применение титана и его сплавов в таких отраслях, как авиация, автомобилестроение, энергетика и судостроение, архитектура, медицина и спортивный инвентарь.

Более широкое использование титана и его сплавов в качестве биоматериалов обусловлено их превосходной биосовместимостью и отличной коррозионной стойкостью из-за тонкого поверхностного оксидного слоя, а также хорошими механическими свойствами, такими как определенный модуль упругости и низкая плотность, которые обеспечивают механическое поведение этих металлов. близки к костям.Легкий, прочный и полностью биосовместимый, титан — один из немногих материалов, которые естественным образом соответствуют требованиям для имплантации в человеческий организм. Среди всего титана и его сплавов в биомедицине в основном используются материалы технически чистый титан (cp Ti, сорт 2) и сплав Ti-6Al-4V (сорт 5). Они широко используются в качестве заменителей твердых тканей в искусственных костях, суставах и зубных имплантатах. В качестве замены твердой ткани низкий модуль упругости титана и его сплавов обычно рассматривается как биомеханическое преимущество, поскольку меньший модуль упругости может привести к меньшей защите от напряжения.

Другое свойство, которое делает титан и его сплавы наиболее многообещающими биоматериалами для имплантатов, заключается в том, что материалы на основе титана, как правило, основываются на образовании чрезвычайно тонкой, прилегающей защитной пленки оксида титана. Присутствие этой оксидной пленки, которая спонтанно образуется в процессе пассивации или репассивации, является основным критерием превосходной биосовместимости и коррозионной стойкости титана и его сплавов.

Что касается медицинских применений этих материалов, то использование титана (коммерчески чистого) ограничено зубными имплантатами из-за его ограниченных механических свойств.В случаях, когда требуются хорошие механические характеристики, такие как имплантаты бедра, коленные имплантаты, костные винты и пластины, используется сплав Ti-6Al-4V [27] [28]. Одно из наиболее распространенных применений титановых сплавов — это искусственные тазобедренные суставы, которые состоят из шарнирной опоры (головки бедренной кости и чашки) и ножки [24], где металлические компоненты чашки и бедренной ножки изготавливаются из титана. Кроме того, они также часто используются при замене коленного сустава, который состоит из бедренного и большеберцового компонентов, изготовленных из титана, и суставной поверхности из полиэтилена.

3.1. Проблемы износа титана и титановых сплавов

Основным недостатком титана и его сплавов, ограничивающим более широкое использование этих материалов, является их низкая сопротивляемость фреттинг-усталости и плохие трибологические свойства [30] [31] из-за его низкой твердости [32]. Их плохие трибологические свойства характеризуются высоким коэффициентом трения, сильным адгезионным износом с сильной тенденцией к заеданию и низким сопротивлением истиранию [33]. Титан имеет тенденцию подвергаться сильному износу при трении между собой или между другими материалами.Титан имеет тенденцию к истиранию и, в конечном итоге, заеданию движущихся или скользящих деталей. Это вызывает более интенсивный износ в результате создания адгезионных муфт и механической нестабильности пассивного слоя оксидов, особенно в присутствии третьих тел (рис. 4). Вследствие этого в случаях полной замены суставов, выполненных из титановой головки и полимерной чашки, 10-20% суставов необходимо заменить в течение 15-20 лет, а асептическое расшатывание составляет примерно 80% ревизий [34 ].Причина выхода из строя имплантатов связана с высоким коэффициентом трения этих материалов, который может привести к выбросу остатков износа из имплантата в кровоток, что приводит к воспалению окружающей ткани и вызывает резорбцию кости ( остеолиз) [35] [36], что в конечном итоге приводит к расшатыванию имплантата, и, следовательно, имплант должен быть заменен новым.

Рис. 4.

Схематическое изображение скользящего трибологического покрытия с наличием третьих тел [37]

3.2. Коррозионное поведение титана и титановых сплавов

Все металлы и сплавы подвергаются коррозии при контакте с биологическими жидкостями, поскольку окружающая среда тела очень агрессивна из-за присутствия ионов хлора и белков. На поверхности хирургически имплантированного сплава происходят различные химические реакции. Металлические компоненты сплава окисляются до ионных форм, а растворенный кислород восстанавливается до гидроксид-ионов.

Большинство металлов и сплавов, хорошо сопротивляющихся коррозии, находятся в пассивном состоянии.Металлы в пассивном состоянии (пассивные металлы) имеют на своей поверхности тонкий оксидный слой (TiO ₂ в случае титана), пассивную пленку, отделяющую металл от окружающей его среды [38]. Обычно толщина пассивных пленок, формируемых на этих металлах, составляет около 3-10 нм [39], и они состоят из оксидов металлов (керамических пленок). Природный оксид аморфен и имеет дефекты стехиометрии. Известно, что защитные и стабильные оксиды на титановых поверхностях (TiO ₂ ) способны обеспечить благоприятную остеоинтеграцию.Стабильность оксида сильно зависит от структуры состава и толщины пленки [40].

Из-за наличия оксидной пленки скорость растворения пассивного металла при заданном потенциале намного ниже, чем у активного металла. Это в основном зависит от свойств пассивной пленки и ее растворимости в окружающей среде. Эти пленки, которые самопроизвольно образуются на поверхности металла, предотвращают дальнейший перенос металлических ионов и / или электронов через пленку.Чтобы быть эффективными барьерами, пленки должны быть компактными и полностью покрывать поверхность металла; они должны иметь атомную структуру, которая ограничивает миграцию ионов и / или электронов через границу раздела оксид металла — раствор; и они должны иметь возможность оставаться на поверхности этих сплавов даже при механических нагрузках или истирании, ожидаемых при использовании ортопедических устройств [25].

Относительно плохие трибологические свойства и возможные проблемы с коррозией привели к разработке методов обработки поверхности для эффективного увеличения приповерхностной прочности, повышения твердости и абразивной износостойкости, тем самым снижая коэффициент трения, а также предотвращая или уменьшая перенос ионов. от поверхностного или объемного материала к окружающим тканям.

3.3. Остеоинтеграция титана и титановых сплавов

Когда имплант хирургическим путем помещается в кость, действуют многочисленные биологические, физические, химические, термические и другие факторы, которые определяют, произойдет ли остеоинтеграция.

Титан и его сплавы широко используются для зубных и ортопедических имплантатов в условиях нагрузки из-за их хорошей биосовместимости в сочетании с высокой прочностью и вязкостью разрушения. Несмотря на сообщения о прямом соединении с костью, они не образуют химической связи с костной тканью.За последнее десятилетие были предприняты попытки создания различных покрытий для придания титану и его сплавам способности связывания, которая спонтанно соединяется с живой костью. Покрытия с плазменным напылением гидроксиапатита широко используются в хирургии безцементной замены тазобедренного сустава, но покрытие из гидроксиапатита, хотя и демонстрирует очень хорошую биосовместимость, имеет некоторые недостатки, включая отслоение слоя покрытия от субстрата, трудности в контроле состава слоя покрытия и разрушение сам слой покрытия, который может выделять мусор, который становится источником износа третьего тела [41].

Прочное и прочное соединение кости и имплантата может быть достигнуто путем формирования стабильной костной ткани на границе раздела кость-имплантат с помощью надлежащей обработки поверхности имплантата, а также методов электрохимического осаждения, погружения и физического осаждения из паровой фазы [42].

3.4. Обработка поверхности титана и титановых сплавов

Обработка поверхности может сыграть значительную роль в расширении характеристик ортопедических устройств из титана в несколько раз сверх их естественных возможностей.

Основные цели обработки поверхности состоят в основном в улучшении трибологических свойств, коррозионной стойкости и остеоинтеграции имплантата. Существуют покрытия для повышения износостойкости и коррозионной стойкости за счет повышения твердости поверхности материала, которые можно наносить с помощью различных методов модификации поверхности, таких как окисление поверхности, методы физического осаждения, такие как ионная имплантация и покрытия плазменным напылением, а также термохимическая обработка поверхности. такие как азотирование, науглероживание и борирование [43] [44].

Большие усилия были посвящены сгущению и стабилизации поверхностных оксидов титана для достижения желаемых биологических реакций. Биологическая реакция на титан зависит от химического состава поверхности и способности оксидов титана поглощать молекулы и включать элементы. Топография поверхности играет фундаментальную роль в регулировании поведения клеток, например форма, ориентация и адгезия клеток.

Одна из возможных альтернатив для решения трибологических проблем, которая объясняет более подробно, состоит в защите поверхности сплава с помощью биосовместимых покрытий из алмазоподобного углерода (DLC).«Алмазоподобный углерод» — это общий термин, относящийся к пленкам из аморфного углерода, осажденным либо методом физического осаждения из паровой фазы (PVD), либо путем плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). Покрытия DLC в основном состоят из смеси алмаза (sp ³ ) и графита (sp ² ). Относительные количества этих двух фаз будут во многом определять свойства покрытия. Таким образом, они являются метастабильными и в основном аморфными, «кристаллические» кластеры слишком малы или слишком дефектны, чтобы достичь структур графита или алмаза.Как механические, так и трибологические свойства DLC-покрытий изучаются около 30 лет, и в настоящее время можно найти несколько различных типов DLC-покрытий. Пленки DLC являются привлекательными биомедицинскими материалами благодаря их относительно высокой твердости, низкому коэффициенту трения, благодаря твердой смазке из-за содержания в ней графита и аморфного углерода [31], хорошей химической стабильности и превосходной био- и гемосовместимости [45] [44] [46] ] [47]. Видно, что на этих пленках, покрытых титаном и другими материалами, клетки хорошо растут без какой-либо цитотоксичности и воспаления.

Окисление остается самым популярным методом модификации поверхности титановых сплавов; Эти оксидные слои на титане обычно производятся либо термообработкой [48] [49] [50], либо электролитическим анодированием [51]. Термическое окисление приводит к образованию слоя диоксида титана рутильной фазы толщиной 15-30 мкм. Однако из-за их длительного действия при высоких температурах процессы термодиффузии могут также привести к образованию диффузионного подслоя, состоящего из твердого раствора кислорода в α-Ti, и развитию фазовой сегрегации и коалесценции, которые могут вызвать охрупчивание подложки. и ухудшенные механические и / или коррозионные характеристики.

Традиционное анодное окисление, которое проводится в различных растворах, обеспечивающих пассивирование поверхности титана, дает тонкие пленки аморфного гидратированного оксида или кристаллического TiO ₂ в форме анатаза [52]. Эти пленки проявляют плохую коррозионную стойкость в некоторых восстанавливающих кислотах и ​​растворах галогенидов, в то время как рутил обычно обладает гораздо лучшими защитными свойствами. Однако последние разработки в области анодирования под высоким напряжением позволяют получать кристаллические пленки рутил / анатаз при температуре, близкой к температуре окружающей среды [53].Путем анодного окисления элементы, такие как Ca и P, могут быть импортированы в поверхностный оксид титана, а микротопография может быть изменена путем регулирования электролита и электрохимических условий. Сообщалось, что присутствие ионов Са благоприятно для роста клеток, и данные in vivo показывают, что поверхности имплантатов, содержащие как Са, так и Р, усиливают наложение кости на поверхности имплантата.

Кроме того, существуют альтернативные методы улучшения биосовместимости, такие как биосовместимые химические вещества [54] и такие материалы, как керамика для покрытия.В некоторых исследованиях титановые поверхности были модифицированы с использованием фосфорной кислоты в исследовании «in vitro» для улучшения биосовместимости зубных имплантатов. Результаты показали, что предварительная обработка имплантата фосфорной кислотой не вызывала цитотоксичности для остеобластов [55]. Метод микродугового окисления в фосфорной кислоте на титановых имплантатах обеспечил места химической связи для ионов кальция во время минерализации [56].

Кроме того, разработаны покрытия с высокой остеоинтеграцией. Покрытие из гидроксиапатита (ГА) — это проверенный метод улучшения механического сцепления имплантатов [57] [58], биосовместимости и улучшения остеоинтеграции.Чем выше степень остеоинтеграции, тем выше механическая стабильность и меньше вероятность расшатывания имплантата. Процесс остеоинтеграции зависит от свойств поверхности, таких как химический состав поверхности, топография поверхности, шероховатость поверхности и, главным образом, поверхностная энергия. TiO ₂ , фосфат кальция, композит диоксид титана / гидроксиапатита и покрытие из диоксида кремния золь-гель методом могут быть нанесены на поверхность титана и титановых сплавов. Плазменное электролитическое окисление (ПЭО) или микродуговое окисление (МДО) используется для синтеза слоя TiO ₂ .Этот метод основан на модификации растущей анодной пленки дуговыми микроразрядами, которые инициируются при потенциалах, превышающих напряжение пробоя растущей оксидной пленки, и быстро перемещаются по поверхности анода. Эта технология обеспечивает решение, превращая поверхность в плотный керамический слой, который не только предотвращает истирание, но и обеспечивает отличную диэлектрическую изоляцию для контактных металлов, помогая защитить их от агрессивной гальванической коррозии. Процесс PEO преобразует поверхность титановых сплавов в сложную керамическую матрицу путем пропускания импульсного биполярного электрического тока в форме определенной волны через ванну с водным раствором низкой концентрации.Плазменный разряд образуется на поверхности подложки, превращая ее в тонкий защитный слой оксида титана, не подвергая саму подложку разрушительному тепловому воздействию.

Среди всех вышеупомянутых обработок поверхности, алмазоподобное углеродное покрытие и плазменное электролитическое окисление являются наиболее перспективными, применяемыми на титановых поверхностях. Эти два метода лечения более подробно описаны в следующих разделах.

3.4.1. Алмазоподобные углеродные покрытия

В некоторых биомедицинских приложениях требуется постоянный скользящий контакт, что подвергает имплантат агрессивным ситуациям.Для достижения и поддержания более высокой эффективности и долговечности в таких все более жестких условиях скольжения преобладают защитные и / или твердые покрытия.

Эти покрытия обычно можно разделить на две широкие категории [59]: «мягкие покрытия», которые обычно хороши для твердой смазки и демонстрируют низкие коэффициенты трения, и «твердые покрытия», которые обычно хороши для защиты от износа, и демонстрируют низкий уровень износа и, следовательно, большую долговечность (рис. 5).

Рисунок 5.

Классификация покрытий по твердости и коэффициенту трения с выделением особого случая покрытий на углеродной основе

Таким образом, кажется, что трудно связать низкое трение и высокую износостойкость со всеми типами покрытий в большинстве трибологических контактов. Некоторые компромиссы могут быть обнаружены в сочетании твердых и мягких материалов в композитных или многослойных покрытиях, что требует сложных процедур и дальнейшей оптимизации процесса осаждения. Тем не менее, разнообразное семейство материалов на основе углерода кажется «естественным» сочетанием желаемого набора трибологических свойств, обеспечивая не только низкое трение, но и высокую износостойкость.Эти материалы широко известны как покрытия из алмазов и алмазоподобного углерода (DLC). Обычно они тверже, чем большинство металлов и / или сплавов, что обеспечивает очень высокую износостойкость и, в то же время, впечатляющие коэффициенты трения, как правило, в диапазоне 0,05-0,2 [60] [61] [62]. В некоторых случаях сообщалось о значениях трения ниже 0,01 [63] [64], предлагая режим скольжения, часто называемый «сверхсмазкой». Эти исключительные трибологические свойства объясняют растущий успех алмазоподобных углеродных покрытий на протяжении многих лет как в промышленных применениях, так и в лаборатории.Исключительное трибологическое поведение алмазоподобных углеродных пленок, по-видимому, связано с уникальной комбинацией поверхностных химических, физических и механических взаимодействий на их скользящих поверхностях раздела [65].

С момента своего первоначального открытия в начале 1950-х годов алмазоподобные углеродные покрытия в последние годы привлекли к себе наибольшее внимание, главным образом потому, что они дешевы и просты в производстве, а также обладают исключительными свойствами для требовательных инженерных и медицинских приложений. Их можно использовать в инвазивных и имплантируемых медицинских устройствах.Эти пленки в настоящее время оцениваются на предмет их долговечности и эксплуатационных характеристик в некоторых биомедицинских имплантатах, включая тазобедренные и коленные суставы и коронарные стенты.

Алмазоподобный углерод — единственное покрытие, которое может обеспечить как высокую твердость, так и низкое трение в условиях сухого скольжения. Эти пленки представляют собой метастабильные формы углерода, сочетающие sp2- и sp3-гибридизации, включая водород, когда во время осаждения используется углеводородный предшественник. Трибологическое поведение алмазоподобных углеродных пленок требует твердой информации о химической и структурной природе этих пленок, которая, в свою очередь, зависит от процесса и / или параметров осаждения.Химический состав, такой как содержание водорода и / или азота или присутствие других легирующих элементов, определяет механические и трибологические свойства скользящей пары, состоящей из алмазоподобного углерода на одной или обеих поверхностях скольжения [66]. Например, образцы DLC, содержащие различные концентрации титана (рис. 6), также были исследованы «in vitro» для получения твердой биосовместимой поверхности, предотвращающей истирание и царапины [67].

Рис. 6.

Схема DLC-покрытия, легированного титаном.В этом случае первый слой титана был нанесен для улучшения адгезии алмазоподобного покрытия к подложке и снятия напряжения покрытия

Хорошо известно, что алмазоподобные углеродные пленки обычно имеют гладкую поверхность, за исключением, возможно, случая пленки, сформированные нефильтрованным катодным вакуумно-дуговым напылением (рис. 7). В этом случае шероховатость пленок на промышленных поверхностях будет в основном контролироваться шероховатостью подложки и, следовательно, может быть минимизирована.

Рис. 7.

СЭМ (растровая электронная микроскопия) микрофотография покрытия Ti-DLC, нанесенного методом физического осаждения из паровой фазы с использованием метода катодно-дугового испарения

Часто наблюдаемой особенностью при трибологических испытаниях пленок алмазоподобного углерода является образование переноса. слой.Наблюдалось образование углеродистого переходного слоя на поверхности скольжения, снижающего коэффициент трения [68].

Покрытия DLC обычно наносятся с помощью технологии физического осаждения из паровой фазы с катодным испарением. Дугу можно определить как разряд электричества между двумя электродами. Процесс испарения дуги начинается с зажигания сильноточной дуги низкого напряжения на поверхности катода, в результате чего образуется небольшая (обычно несколько микрон) высокоэнергетическая излучающая область, известная как катодное пятно.Локализованная температура в катодном пятне чрезвычайно высока (около 15000 ° C), что приводит к высокоскоростной (10 км / с) струе испаренного материала катода, оставляющей кратер на поверхности катода.

Интенсивность плазменной струи максимальна перпендикулярно поверхности катода и содержит высокий уровень ионизации (30% -100%) многозарядных ионов, нейтральных частиц, кластеров и макрочастиц (капель). Металл испаряется дугой за один этап, ионизируется и ускоряется в электрическом поле.Теоретически дуга представляет собой самоподдерживающийся разряд, способный выдерживать большие токи за счет эмиссии электронов с поверхности катода и повторной бомбардировки поверхности положительными ионами в условиях высокого вакуума.

Если химически активный газ вводится во время диссоциации процесса испарения, ионизация и возбуждение могут происходить во время взаимодействия с потоком ионов, и будет осаждаться составная пленка. Без влияния приложенного магнитного поля катодное пятно перемещается вокруг беспорядочно испаряющихся микроскопических неровностей и образования кратеров.Однако, если катодное пятно остается в одной из этих точек испарения слишком долго, оно может выбросить большое количество макрочастиц или капель, как показано выше. Эти капли ухудшают характеристики покрытия, поскольку они плохо прилипают и могут распространяться через покрытие.

Недавнее трибологическое исследование влияния нанесения алмазоподобных углеродных покрытий на подложку из Ti-6Al-4V для коленных имплантатов подтвердило, что эти типы покрытий улучшают трибологический отклик подложки, уменьшая коэффициент трения ( µ) (Таблица 1) и уменьшение износа поверхности (Рисунок 8) [69].Для этого исследования были проведены испытания на истирание с использованием шариков из оксида алюминия в качестве контртела, бычьей сыворотки в качестве смазки и постоянной температуры 37 ºC, пытаясь имитировать реальную среду.

Образец	µ ± SD (стандартное отклонение)	След от износа диска, максимальная глубина (мкм)
V 0,86 0,06 0,06 0,09	10 ± 3
Ti-DLC	0.24 ± 0,01	Эффект полировки

Таблица 1.

Значения коэффициентов трения и измерения шрамов от износа шариков и дисков

Рисунок 8.

Микрофотографии SEM следов износа при испытаниях на фреттинг. Ti-6Al-4V (слева), Ti-DLC (справа)

3.4.2. Обработка плазменным электролитическим окислением

В биомедицине титан является наиболее часто используемым сплавом из-за его биосовместимости в качестве материала имплантата, связанной с поверхностными оксидами, спонтанно образующимися в воздухе и / или физиологических жидкостях [70].Клеточное поведение, например адгезия, морфологические изменения, функциональные изменения, пролиферация и дифференциация в значительной степени зависят от свойств поверхности, включая состав, шероховатость, гидрофильность, текстуру и морфологию оксида на титане [71] [72]. Природный оксид является тонким (толщиной около 3–10 нм [39]), аморфным и стехиометрически дефектным. Известно, что защитные и стабильные оксиды на титановых поверхностях способны обеспечить благоприятную остеоинтеграцию [73] [74]. Стабильность оксида сильно зависит от структуры состава и толщины пленки [75].

На титане и его сплавах тонкий оксидный слой образуется естественным образом на поверхности металлического титана при воздействии воздуха при комнатной температуре [76] [77] [78]. Титания (TiO ₂ ) существует в трех полиморфных формах: рутил, анатаз и брукит. Рутил, стабильная форма диоксида титана при окружающих условиях, обладает уникальными свойствами [79]. Метастабильные фазы анатаза и брукита при нагревании превращаются в рутил. Однако контактные нагрузки повреждают эту тонкую пленку природного оксида и вызывают гальваническую и щелевую коррозию, а также коррозионное охрупчивание.Более того, низкая износостойкость и высокий коэффициент трения без нанесения защитных покрытий на поверхность серьезно ограничивают его широкое применение. Наиболее распространенным методом модификации поверхности сплавов Ti является оксидирование. При анодировании образуется анатазная фаза диоксида титана, которая показывает плохую коррозионную стойкость по сравнению с рутиловой фазой. Последние разработки в области анодирования под высоким напряжением приводят к образованию кристаллической пленки рутил / анатаз при температуре, близкой к комнатной.

Попытки улучшить поверхностные свойства титана и его сплавов за последние несколько десятилетий привели Курце и др. К разработке методики плазменного электролитического окисления (ПЭО).[80] [81], который представляет собой процесс синтеза керамических оксидных пленок при высоких напряжениях. Этот метод основан на модификации растущей анодной пленки искровыми / дуговыми микроразрядами в водных растворах (рис. 9), которые возникают при потенциалах, превышающих напряжение пробоя растущей оксидной пленки, и быстро перемещаются по поверхности анода [53 ]. Поскольку они быстро развиваются и гаснут (в течение 10 ^-4 -10 ^-5 с), разряды нагревают металлическую подложку до температуры менее 100-150 ºC.В то же время локальная температура и давление внутри нагнетательного канала могут достигать 10 ^-3 -10 ^-4 K и 10 ^-2 -10 ^-3 МПа соответственно, что достаточно для возникновения к плазменным термохимическим взаимодействиям между подложкой и электролитом. Эти взаимодействия приводят к образованию закаленных расплавом высокотемпературных оксидов и комплексных соединений на поверхности, состоящих как из оксидов материала подложки, так и из модифицирующих элементов, содержащихся в электролите.В результате получается пористое оксидное покрытие.

Рис. 9.

Фотография дуговых микроразрядов в процессе PEO

Покрытие PEO имеет значительно большую толщину (18 мкм ± 4 мкм), чем покрытия PVD, а также другую морфологию. Внешняя часть слоя пористая (с диаметром пор от 3 до 8 мкм) (Рисунок 10). Покрытие становится все более компактным по мере продвижения к границе раздела с подложкой. Такая морфология приводит к относительно высокой шероховатости поверхности.

Рис. 10.

СЭМ-микрофотографии пористости внешнего слоя при обработке ПЭО. а) обзор и б) деталь

Этот метод характеризуется тем, что поверхность титана при температуре, близкой к окружающей, превращается в высокотемпературный оксид титана (рутил), модифицированный другими оксидными составляющими. Экономическая эффективность, экологичность, коррозионная стойкость, высокая твердость, хорошая износостойкость и отличная прочность сцепления с подложкой — другие характеристики этой обработки [82] [83] [84].

Основными продуктами конверсии, образующимися при обработке ПЭО, являются оксиды титана: рутил и анатаз, типичные продукты анодного окисления титана. Известно, что структура и состав пленок анодного оксида сильно зависят от температуры и потенциала образования пленки [85] [86]. В случае покрытий из ПЭО как состав электролита, так и режим плотности тока влияют на фазовый состав и морфологию анодно-оксидного слоя [87]. Более высокое напряжение искры вызывает более высокий уровень энергии разряда, что обеспечивает более крупные поры [88].

Влияние характеристик электролита на фазовый состав пленок ПЭО на титане исследовалось ранее [89] [90]. Было показано, что поверхностные слои, состоящие из рутила, анатаза, рутил / анатаза, а также оксидов элементов-электролитов (например, Al ₂ O ₃ , MgO, WO ₃ ), их гидроксидов и сложных оксидов (например, Al ₂ TiO ₅ , AlPO ₄ , CaWO ₄ , BaTiO ₃ , MnTiO ₃ и т. Д.) могут быть произведены.

Поверхности, содержащие Са и / или Р, вызывают остеоиндукцию новых костей и становятся биоактивными. Ионы Ca и P могут быть включены в слой, контролируя электролит, используемый в процессе электроокисления, и они далее превращают его в гидроксиапатит путем гидротермальной обработки [41].

Одним из методов, который может показать влияние электролита на химический состав покрытия, может быть метод EDS (энергодисперсионная спектроскопия).На следующих графиках можно увидеть сравнительное исследование. Результаты для различных образцов, cp Ti без покрытия, покрытия, полученного с использованием коммерческого электролита, и покрытия, полученного в водном электролите, содержащем фосфат кальция и β-глицерофосфат, показаны в следующих спектрах. Покрытия из диоксида титана, содержащие Са и Р, производимые PEO, улучшают биологическую активность ортопедического имплантата, изготовленного из титана [91]. На рисунке 11 в спектрах b) и c) можно наблюдать разницу в количестве кальция, присутствующего в покрытии.

Рис. 11.

a) Микрохимический анализ cp Ti, b) микрохимический анализ покрытия, полученного с использованием промышленного электролита, c) микрохимический анализ покрытия, полученного с использованием фосфата кальция и β-глицерофосфатного электролита.

Биологический ответ на титан зависит от химического состава поверхности и способности оксидов титана поглощать молекулы и включать элементы [92]. Топография поверхности играет фундаментальную роль в регулировании поведения клеток, например.г. форма, ориентация и адгезия клеток [93] [94]. Когда поверхность начинает контактировать с биологическими тканями, молекулы воды сначала достигают поверхности. Следовательно, смачиваемость поверхности изначально может играть важную роль в адсорбции белков на поверхность, а также в адгезии клеток. Адгезия клеток обычно лучше на гидрофильных поверхностях. Известно, что изменения физико-химических свойств, которые влияют на гидрофильность диоксида Ti, будут модулировать адсорбцию белка и дальнейшее прикрепление клеток [39].Путем анодного окисления элементы, такие как Ca и P, могут быть импортированы в поверхностный оксид титана, а микротопография может быть изменена путем регулирования электролита и электрохимических условий. Сообщалось, что присутствие ионов Са благоприятно для роста клеток, и данные «in vivo» показывают, что поверхности имплантатов, содержащие как Са, так и Р, усиливают костное прилегание к поверхности имплантата.

Некоторые эксперименты, проведенные для изучения трибологического поведения обработанного PEO Ti-6Al-4V посредством испытаний на сухое скольжение по PS (плазменное напыление) Al ₂ O ₃ –TiO ₂ и сравнение с этим тонких покрытий PVD показали, что лучшие трибологические свойства, как с точки зрения низкого коэффициента трения, так и с точки зрения высокой износостойкости (т.е.е. низкое повреждение от износа) показали образцы, обработанные ПЭО. Наивысшую износостойкость продемонстрировали образцы, обработанные ПЭО, с незначительными потерями на износ даже при максимальной приложенной нагрузке 35 Н. Такое хорошее трибологическое поведение должно быть в основном связано с превосходной толщиной этого покрытия, которое может лучше выдерживать приложенную нагрузку.

Обработка ПЭО приводит к очень хорошим трибологическим характеристикам, значительно уменьшая как износ, так и трение сплава Ti-6Al-4V даже при высоких приложенных нагрузках (до 35 Н).Это хорошее трибологическое поведение должно быть в основном связано с превосходной толщиной этого покрытия, которое может лучше выдерживать приложенную нагрузку. Основным механизмом износа является микрополировка, и толщина покрытия определяет его трибологическую стойкость [95].

Последние проведенные исследования показали, что обработка поверхности PEO усиливает биологический ответ «in vitro», способствуя ранней адгезии остеобластов, и остеоинтеграционные свойства «in vivo», ускоряя первичный остеогенный ответ, что подтверждается более обширной костной тканью. контакт имплантата достигнут через 2 недели исследования [94].

Титановые сплавы в ортопедии | IntechOpen

1. Введение

Металлические имплантаты обычно используются в ортопедической сфере. Несмотря на большое количество металлических медицинских устройств, используемых сегодня, они преимущественно состоят из нескольких металлов. Металлические сплавы, такие как титан, по-прежнему являются одним из наиболее важных компонентов, используемых в устройствах ортопедических имплантатов, благодаря благоприятным свойствам высокой прочности, жесткости, вязкости разрушения и их надежным механическим характеристикам в качестве замены твердых тканей.Ортопедические имплантаты являются медицинские устройства, используемые для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата, и может состоять из одного типа биоматериала или содержать целый ряд различных биоматериалов, работающих вместе в модульных частей. Основные примеры титановых имплантатов, используемых в ортопедии, включают протезы тазобедренного и коленного суставов при различных типах артрита, поражающего эти суставы, инструменты для спондилодеза для стабилизации дегенеративных и нестабильных позвоночных сегментов, а также устройства для фиксации переломов различных типов, такие как пластины, винты и интрамедуллярные стержни. .Хотя обычно предполагается, что имплантаты на основе титана прослужат десять или более лет, долговечность не гарантируется, и часто возникает недостаточная интеграция в кость для длительного выживания, что приводит к отказу имплантата. Ревизионная хирургия для устранения такой неудачи связана с повышенным риском, осложнениями и затратами. Основная причина выхода из строя этих имплантатов — асептическое расшатывание, которое составляет от 60 до 70% случаев ревизионных операций. Успех имплантатов зависит от прочного сцепления или фиксации биоматериала имплантата с костью для оптимального функционирования и долговечности.Поэтому одной из ключевых задач при заживлении и регенерации костей является разработка имплантата, который включает остеоинтеграцию с повышенной биоактивностью и улучшенными взаимодействиями имплантат-хозяин, чтобы уменьшить биологическое повреждение имплантата.

1.1. Разработка титановых сплавов для использования в ортопедии

Титановые сплавы, первоначально использовавшиеся в аэронавтике, привлекли внимание биомедицины из-за их биосовместимости, низкого модуля упругости и хорошей коррозионной стойкости.Тем не менее, именно явление остеоинтеграции из-за присутствия естественно сформированного оксидного слоя на поверхности титана послужило толчком к развитию титана для использования в ортопедии [1]. Титановые сплавы часто используются в компонентах поверхности, не несущих нагрузку, таких как шейки бедренной кости и ножки (рис. 1), поскольку они имеют более низкий модуль упругости, что приводит к меньшей защите кости от напряжения [2]. Тем не менее, остеоинтеграционная биоактивность по-прежнему часто недостаточна для достижения истинной адгезии между имплантатом и костью, что в конечном итоге может привести к механической нестабильности и разрушению имплантата [3].

Рис. 1.

a) Титановый стержень и (b) элементный анализ поверхности.

Механические свойства подходящих титановых сплавов на основе модулей Юнга должны быть аналогичны свойствам кортикального слоя кости. Кортикальная кость, также называемая компактной костью, является основным и наиболее важным компонентом скелета человека и имеет решающее значение для функций кости, включая защиту органов, движение, поддержку и т. Д. Модули Юнга титановых сплавов β-типа значительно меньше, чем модули α- и Сплавы (α + β) -типа.Это привело к открытию безвредных Ti-сплавов с низкой жесткостью, таких как Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-15Mo, Ti-35Nb-7Zr-5Ta и Ti. -29Nb-13Ta-4.6Zr. Тем не менее, у применения этих титановых сплавов есть как преимущества, так и недостатки. Эти сплавы доказали свою эффективность в предотвращении атропии кости и улучшении ремоделирования кости, однако высокая степень упругости и низкая усталостная прочность делают их нежелательными в качестве материала имплантата. Ti-6Al-4V и Ti промышленной чистоты в настоящее время являются наиболее популярными материалами для целей имплантации.Техническая чистота Ti оказалась хуже с точки зрения прочности на разрыв, в то время как Al и V оказались небезопасными. В настоящее время исследователи все еще пытаются разработать другие марки сплавов, такие как Ti-6Al-7Nb и Ti – 15Sn – 4Nb – 2Ta – 0.2Pd. Наиболее исследованными сплавами Ti являются сплавы (α + β) -типа из-за их прочности и пластичности.

1.2. Биологическая активность титановых сплавов

Каждый производитель титановых имплантатов имеет свои собственные теории относительно конструкции имплантатов для конкретных ортопедических применений.Как правило, существуют определенные руководящие принципы, которые влияют на окончательную жизнеспособность имплантата. При проектировании имплантата необходимо учитывать биомеханические и биологические факторы, которые могут повлиять на его успех. Соответствие естественной анатомии, свойств материала и механической прочности, подходящих для целевой функции и окружающей среды, — вот некоторые из факторов, которые необходимо учитывать. Несмотря на преимущества и успехи этих медицинских устройств, их использование сопряжено с риском побочных эффектов.Титановые имплантаты обычно образуют оксидный слой, который позволяет им интегрироваться с живой костной тканью. Однако в организме могут быть побочные реакции на титан, такие как фиброз и воспаление, которые могут повлиять на его функциональные характеристики в долгосрочной перспективе [4]. Успех применения ортопедического имплантата будет зависеть от различных факторов, и имплантаты могут выйти из строя из-за физиологических причин, таких как асептическое расшатывание.

Обычно существует два типа реакции имплантат-ткань [5-7]. Первый тип — это реакция тканей хозяина на токсичность имплантированного материала.Имплантированный материал может быть токсичным или выделять химические вещества, которые могут повредить окружающие ткани. Второй ответ, который также является наиболее частым, — это образование неприлипающей фиброзной капсулы между имплантатом и тканями хозяина, называемое фиброзом. Это естественная реакция на защиту тела от инородного тела, которая в конечном итоге может привести к полной фиброзной инкапсуляции [8]. Обычно имплантаты предназначены для того, чтобы оставаться фиксированными в человеческом теле в течение длительного времени, и ожидается, что кость прорастет до поверхности имплантата.К сожалению, так бывает не всегда. Фиброз, называемый реакцией на инородное тело, развивается в ответ почти на все имплантированные биоматериалы и состоит из перекрывающихся фаз, аналогичных таковым в процессах заживления ран и восстановления тканей [9]. Несмотря на биосовместимость используемых металлических имплантатов, титановые материалы обычно инкапсулируются фиброзной тканью после имплантации в живое тело [10]. Клеткам, заключенным между имплантатом и фиброзной капсулой, также не хватает общих функций ткани, таких как удаление апоптотических или некротических клеток, которые также могут способствовать хроническому воспалению [11].Мало того, что ECM (внеклеточный матрикс), секретируемый фибробластом, отличается от образования костного матрикса, создаваемого остеобластом, в конечном итоге этот слой ECM может привести к микродвижению и образованию частиц износа на поверхности имплантата [12]. . Образующиеся в результате осколки титана могут играть ведущую роль в инициации воспалительного каскада, ведущего к остеолизу [13]. В конечном итоге это вызывает асептическое расшатывание, поскольку связи имплантата с костью разрушаются из-за попыток организма переварить частицы износа.Когда это происходит, протез расшатывается, и пациент может испытывать нестабильность и боль. Ревизионная хирургия для решения этой проблемы повлечет за собой дополнительные расходы и болезненность для пациентов. Для костной ткани прямое прикрепление остеобластов к металлу важно для предотвращения асептического расшатывания металлического имплантата, вызванного прикреплением слоя фибробластов. Фиброз также может вызывать независимую от остеокластов резорбцию кости фибробластоподобными клетками. Было показано, что фибробластоподобные клетки при патологических условиях не только усиливают, но и активно способствуют резорбции кости [14].Успешная интеграция имплантата в окружающую ткань во многом зависит от решающей роли нативных клеток, главным образом, остеобластов, прикрепляющихся к поверхности имплантата. Поэтому одной из ключевых задач в ортопедии является разработка имплантата с улучшенными остеоинтеграционными свойствами для снижения частоты отказов имплантата.

Рисунок 2.

Схематическое изображение тазобедренного имплантата. Шея бедренной кости — это область с риском нарушения кровоснабжения. Стрелки указывают на область нарушенной кровоснабжения, где не происходит остеоинтеграция.

2. Стратегии придания повышенной биоактивности титановым сплавам

До сих пор большая часть исследовательских усилий была сосредоточена на улучшении интерфейса кость-имплантат с целью улучшения заживления кости и интеграции имплантата с помощью физических или химических подходов [15]. Физический подход направлен на изменение морфологии и топографии поверхности имплантата с использованием механических методов, таких как механическая обработка, кислотное травление, плазменное напыление, пескоструйная очистка и анодирование для улучшения микрорельефа поверхности.Обоснованием этого является то, что увеличение шероховатости поверхности материала имплантата обеспечит более высокий уровень поверхностной энергии, что улучшит фиксацию кости, адсорбцию матричного белка, функции остеобластов и, в конечном итоге, остеоинтеграцию [16].

Химический подход направлен на создание биологически активной поверхности имплантата путем нанесения покрытий на слой имплантата биохимическими и физико-химическими методами. В биохимических методах органические молекулы, такие как факторы роста, пептиды или ферменты, включаются в слой имплантата для воздействия на специфические клеточные ответы [17].В то время как в физико-химических методах включение достигается с помощью неорганических фаз, таких как фосфат кальция, который может увеличивать биохимическое сцепление между белками костного матрикса и поверхностными материалами, тем самым улучшая связывание костей [16]. Многие модификации имплантата могут сочетать в себе методы физической и химической инженерии. В следующих разделах мы обсудим некоторые из наиболее популярных стратегий, используемых для улучшения интеграции имплантата и фиксации кости.

2.1. Неорганические покрытия

Покрытия из фосфата кальция широко используются в ортопедической области из-за их сходства с минеральной фазой кости [18] и известны своими биоактивными свойствами, которые полезны для склеивания костей [19].Поскольку фосфату кальция обычно не хватает механической прочности для использования в качестве сыпучих материалов в условиях нагрузки, они часто наносятся на поверхность металлических имплантатов. Есть несколько опубликованных исследований, которые показали благоприятное использование покрытий из фосфата кальция для повышения биосовместимости границы раздела кость-имплантат, фиксации и интеграции имплантата [20]. Слой фосфата кальция функционирует как физиологический переход между поверхностью имплантата и тканями хозяина, который направляет формирование кости вдоль поверхности имплантата и окружающих тканей.Одним из наиболее успешных методов нанесения покрытий из фосфата кальция является метод плазменного напыления из-за его преимуществ в виде обширных возможностей нанесения покрытия и высокой скорости осаждения. Однако, несмотря на многочисленные открытия [21], в которых сообщается о полезных остеоиндуктивных свойствах покрытий из фосфата кальция, напыленных плазмой, по-прежнему существуют некоторые опасения относительно его использования. Покрытия, нанесенные плазменным напылением, не являются однородными, и отсутствует контроль толщины и топографии поверхности, что может привести к воспламенению имплантата, когда частицы высвобождаются из этих гетерогенных покрытий.Чтобы преодолеть эти недостатки, были разработаны и использованы различные другие стратегии осаждения, такие как биомиметическое, электрофоретическое и электрораспылительное осаждение и т. Д. Однако следует соблюдать осторожность при сравнении эффективности каждого из этих методов, что потребует всесторонней оценки как биологического ответа, так и клинического воздействия. спектакль. Хотя было показано, что покрытия из фосфата кальция являются полезными для улучшения склеивания костей, до сих пор нет единого мнения об использовании систем покрытия из фосфата кальция.Основные проблемы включают большие различия в качестве покрытий из фосфата кальция, даже между разными партиями и рыночными силами, которые предлагают другие более дешевые альтернативы [22].

2.2. Органические покрытия

Модификация поверхности материалов имплантатов факторами роста и пептидами в последние годы набирает популярность [23, 24]. Различные представляющие интерес терапевтические биомолекулы могут быть иммобилизованы на поверхности имплантата для усиления взаимодействия на границе раздела кость-имплантат. В настоящее время более популярные подходы включают иммобилизацию факторов роста костей, таких как морфогенетические белки костей (BMP), для усиления остеогенеза и отложение пептидных последовательностей для индукции определенных клеточных функций.Факторы роста, иммобилизованные на ортопедических устройствах, усиливают остеобластическую активность и способствуют интеграции имплантата [25]. Факторы роста, наиболее часто используемые в ортопедии, являются членами суперсемейства трансформирующих факторов роста бета (TGF-β), включая семейство BMP, особенно BMP2 и BMP7. Факторы роста могут физически адсорбироваться или ковалентно прививаться к поверхности имплантата, и различные исследования показали, что загрузка имплантата этими факторами может усиливать взаимодействия на границе раздела кость-имплантат и способствовать процессу ремоделирования, в конечном итоге улучшая интеграцию имплантата [26-28].Однако критическими факторами для успешного использования факторов роста в ортопедических устройствах являются оптимальная дозировка, период воздействия и кинетика высвобождения, все это необходимо тщательно учитывать, чтобы избежать пагубных эффектов, связанных с использованием факторов роста, таких как высокая начальная скорость разрыва, образование эктопической кости. и короткий период полураспада. Совсем недавно были разработаны пептидные последовательности, способные воздействовать на специфические остеогенные клеточные функции дифференцировки и минерализации [29, 30]. Эти короткие функциональные фрагменты, полученные из исходного белка, имеют увеличенный срок хранения, могут быть получены синтетическим путем и более устойчивы к денатурирующим эффектам.Их использование обеспечит значительные клинические преимущества по сравнению с использованием обычных белков. Они могут быть связаны с поверхностью имплантата, чтобы давать биологические сигналы для формирования кости. Кроме того, другие используемые пептидные последовательности включают RGD, YIGSR, IKVAV и KRSR, которые использовались для улучшения клеточной адгезии и формирования костного матрикса [31-33].

2.3. Покрытия из органо-неорганических композиционных материалов

Исследования последних лет были сосредоточены на разработке биоактивных композиционных покрытий, имитирующих структуру костной ткани.Эти композитные покрытия будут сочетать фосфат кальция с факторами роста, пептидами, антителами и т. Д. Для усиления взаимодействия на границе раздела кость-имплант. Однако из-за того, что при приготовлении покрытий из фосфата кальция часто требуются высокие температуры или нефизиологические условия, для осаждения биомолекул на поверхности имплантата используется только физическая адсорбция [34, 35]. Однако при использовании методов физической адсорбции часто наблюдается начальная высокая скорость выброса, что нежелательно [36].Поэтому предпочтительны методы нанесения покрытия, которые создают мягкую кинетику замедленного высвобождения. Недавно опубликованная статья показала, что покрытие из фосфата кальция, сочетающее медленное высвобождение антибиотиков, способствует раннему успеху рекрутирования костных клеток [37]. Многие другие исследования показали, что отложение BMP2 и TGF-β на поверхность имплантата может значительно усилить сцепление с костью на границе раздела кость-имплант [25, 34]. Биологическая эффективность ортопедических имплантатов может быть значительно улучшена за счет физических и химических модификаций.Использование большого количества инженерных техник для манипулирования топографией, морфологией поверхности и включение использования различных неорганических и органических компонентов напрямую повлияет на реакцию в локальном интерфейсе кость-имплантат и на расположение новой кости. С развитием новых методов и стратегий в отношении композитных покрытий, которые лучше имитируют структуру кости человека, это приведет к появлению нового поколения ортопедических имплантатов с улучшенной интеграцией имплантата и заживлением кости.

3. остеоинтеграции имплантатов

Клинические стратегии управления скелетно-мышечные дефекты будут сосредоточены вокруг трех компонентов: клетки, структура и факторы роста. При проектировании материалов имплантата клетки и белки на границе имплантата играют решающую роль [38]. Использование белков биосигналов, таких как факторы роста, для разработки биоактивных материалов для имплантатов имеет большой потенциал. В частности, из-за нехватки стволовых клеток в организме желательны материалы, регулирующие клеточные функции, такие как адгезия, рост и дифференцировка.

Остеоинтеграция — это один из наиболее важных процессов, определяющих успех ортопедического имплантата. Остеоинтеграция определяется как образование прямой структурной и функциональной связи между живой костью и поверхностью имплантата [39, 40]. Имплант считается остеоинтегрированным, если нет прогрессирующего относительного движения между имплантатом и костью, с которой он имеет прямой контакт [40]. В идеальных условиях имплантаты могут навсегда врасти в кость и сохраняться при всех нормальных условиях нагрузки, то есть эти два имплантата нельзя было разделить без перелома.Васкуляризация, обеспечивающая кровоснабжение, является важным компонентом процесса остеоинтеграции. Дифференцировка остеогенных клеток сильно зависит от васкуляризации ткани, а оссификация тесно связана с васкуляризацией дифференцирующейся ткани [40]. Следовательно, успех заживления, регенерации и интеграции тканей заключается в ключевом процессе реваскуляризации, который имеет решающее значение для улучшения успешной интеграции имплантатов [41, 42].

Заживление кости вокруг имплантата включает в себя каскад клеточных и биологических событий, которые происходят на границе раздела кость-имплантат, пока, наконец, вся поверхность имплантата не покрывается вновь сформированной костью.Этот каскад биологических событий регулируется дифференцировкой клеток, стимулируемой факторами роста, секретируемыми на границе раздела кость-имплант [40]. Существует значительный интерес к модификации поверхностей имплантатов факторами роста для улучшения их клеточных функций и способности интеграции ткани на границе раздела кость-имплантат. Улучшенные функции клеток и взаимодействия с клеточными субстратами были продемонстрированы с факторами роста, иммобилизованными на материалах имплантатов [26-28]. Один из наиболее важных факторов роста для стимуляции неоваскуляризации (т.е. образование новых кровеносных сосудов) в целевых областях [43] будет ангиогенными факторами роста, имеющими решающее значение для улучшения успешной интеграции имплантатов in vitro и in vivo [41, 42]. Из этих ангиогенных факторов фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) является наиболее мощным и широко используемым ключевым регулятором неоваскуляризации [43, 44]. VEGF является решающим фактором не только в регуляции ангиогенеза, но и в функции остеобластов [45] и остеокластов [46-48] во время восстановления кости.VEGF действует непосредственно на остеобласты, способствуя таким клеточным функциям, как пролиферация, миграция и дифференцировка [49, 50]. Кроме того, VEGF также косвенно влияет на остеобласты, влияя на эндотелиальные клетки [51, 52]. Известно, что VEGF побуждает эндотелиальные клетки в окружающих тканях мигрировать, пролиферировать и формировать тубулярные структуры [53] и является важным фактором выживания эндотелиальных клеток [51] и образования новых сосудов [54]. Эндотелиальные клетки необходимы для обеспечения сложных интерактивных коммуникационных сетей в кости для коммуникации щелевых соединений с остеобластами, критически важными для их образования из остеопрогениторов [55].Кроме того, VEGF стимулирует выработку эндотелиальными клетками полезных факторов формирования кости, действующих на остеобласты [50]. В целом влияние VEGF на остеобласты, остеокласты и эндотелиальные клетки может действовать синергетически, усиливая образование кости.

3.1. Фиксация титановых имплантатов

Фиксация компонентов протеза к кости может производиться с использованием костного цемента или без него. В цементированной технике полиметилметакрилат (ПММА) используется для «приклеивания» металла к кости.При прямой биологической фиксации требуются точные разрезы кости для достижения максимального контакта между металлом и костью. Преимущество цементной фиксации заключается в том, что компоненты протеза фиксируются мгновенно, что позволяет двигаться сразу после операции. Однако в случаях, когда требуется ревизионная операция, чрезвычайно трудно удалить весь цемент во время замены имплантата. Цементная фиксация обычно применяется у пожилых пациентов старше шестидесяти пяти лет, у которых костная ткань более остеопоротична с меньшей вероятностью врастания в протез и шансы на ревизию ниже из-за меньших требований к имплантату и более короткой оставшейся продолжительности жизни по сравнению с более молодыми пациентами.Прямая биологическая фиксация обычно используется для молодых пациентов из-за лучшего костного материала и потенциала врастания. Недостатком биологической фиксации является то, что для полного завершения могут потребоваться недели или месяцы, в течение которых ограничивается нагрузка на вес. Однако достигнутая окончательная фиксация более естественна при полном внедрении имплантата в кость в идеальных ситуациях. Кроме того, у молодых пациентов шансы на повторную операцию в будущем выше, и было бы легче исправить бесцементный протез без необходимости удаления цемента.Другая проблема заключалась в том, что бесцементные титановые стержни, как сообщалось, более устойчивы к остеолизу и механическим повреждениям по сравнению с аналогичными цементированными титановыми стержнями [56]. Свойства титана, которые вредны для цементной среды, по-видимому, не имеют никакого эффекта в безцементной среде и могут фактически быть полезными, приводя к различиям в характеристиках двух методов. Следовательно, усиление интерфейса костного имплантата, особенно при прямой биологической фиксации титановыми имплантатами, было бы чрезвычайно полезным.Это значительно сократит период задержки, в течение которого происходит остеоинтеграция между протезом и костью пациента.

3.2. Функционализация поверхности с помощью иммобилизации факторов роста

Одним из многообещающих способов включения использования факторов роста с материалами имплантата является функционализация поверхности факторов роста. Растворимые факторы роста работают путем связывания с родственными рецепторами на клетках с образованием комплексов, которые приводят к аутофосфорилированию цитоплазматических доменов рецепторов, и это фосфорилирование активирует внутриклеточную передачу сигнала.Образованные комплексы затем агрегируются и интернализуются в клетки с помощью как клатрин-зависимых, так и клатрин-независимых механизмов, что приводит к рециклированию рецепторов для подавления деградации [57]. Аналогичным образом иммобилизованные факторы роста действуют путем образования комплексов с рецепторами клеточной поверхности, однако ожидается, что передача сигнала будет длиться дольше, чем растворимые факторы роста, из-за ингибирования процесса интернализации. Многовалентность — еще один важный феномен, ответственный за этот длительный усиленный митогенный эффект.Поливалентные лиганды активно взаимодействуют и связываются с множественными рецепторами поверхностных клеток посредством нескольких способов связывания. Это усиливает образование комплексов лиганд-рецептор, которые имеют решающее значение для передачи сигнала, а поливалентные лиганды способны стабилизировать и предотвращать латеральную диффузию образованных комплексов, приводящую к пролонгированному эффекту. На рис. 3 показано взаимодействие клеток с различными формами фактора роста и усиление митогенных эффектов.

Рисунок 3.

Эффекты растворимых факторов роста по сравнению с иммобилизованными факторами роста.

Чтобы эффективно получить эффект от иммобилизованных факторов роста, необходимо разработать стратегии, которые могут оптимизировать структуру, чтобы вызвать желаемый биологический ответ. Одной из проблем, с которыми сталкиваются имплантаты для функционализации поверхности, является отсутствие подходящих химических групп на поверхности. Для большей универсальности и применимости концентрации группы ОН и других реакционноспособных групп, таких как амино или карбоксильные группы, должны быть увеличены. Первоначальный органический слой, иммобилизованный на материалах имплантата, затем можно использовать в качестве связки для биомолекулярных компонентов, используемых для обеспечения прикрепления клеток.Другой вопрос, заслуживающий изучения, — это контроль удержания и / или высвобождения биомолекул с поверхности имплантата. Самый простой и наиболее распространенный метод, используемый для доставки биомолекул, — это физическая адсорбция, которая, к сожалению, не дает возможности контролировать доставку и ориентацию биомолекул. Связывание биомолекул и использование покрытий, включающих их, были бы альтернативными методами доставки к границе раздела кость-имплант. В любом случае предпочтительный и выбранный метод иммобилизации будет зависеть от конкретного рабочего механизма биомолекул.С учетом вышеупомянутого сценария поверхностная функционализация биоматериалов с целью повышения биосовместимости и содействия остеоинтеграции имеет большой потенциал в решении проблем долговечности и выживания имплантатов протезных суставов.

Методы иммобилизации в целом подразделяются на четыре категории, а именно: а) физическая адсорбция (посредством ван-дер-ваальсовых или электростатических взаимодействий), б) физический захват (использование барьерных систем), в) поперечное сшивание и г) ковалентное связывание. Выбор метода будет зависеть от природы биологически активных факторов, субстратов и их применения.Невозможно иметь универсальные средства иммобилизации, однако разработка жизнеспособной методологии, которая может обеспечить легкую, безопасную иммобилизацию с хорошим взаимодействием для ортопедических имплантатов, имеет жизненно важное значение.

3.2.1. Физическая адсорбция

Это самый простой из всех доступных методов, не влияющий на активность биологически активных факторов. Методы физической адсорбции в основном основаны на ионных и гидрофобных взаимодействиях. Если биоактивные факторы иммобилизованы посредством ионных взаимодействий, адсорбция и десорбция факторов будет зависеть от основности ионообменника.Между адсорбированными факторами и субстратами достигается обратимое динамическое равновесие, на которое влияет pH, а также ионная сила окружающей среды. Гидрофобные взаимодействия обеспечивают немного более высокую стабильность при меньшей потере факторов с поверхности субстратов. Хотя системы физической адсорбции просты в использовании и не требуют обширной обработки используемых биоактивных факторов и субстратов, тем не менее, существуют определенные недостатки. Эти системы страдают от низкой поверхностной нагрузки, и биомолекулы могут неконтролируемым образом десорбироваться с поверхности.

Рисунок 4.

Схематическая диаграмма, показывающая физическую адсорбционную систему с белками.

3.2.2. Физическое улавливание

Этот метод используется с барьерами, включающими природные полимеры, такие как желатин, агар и системы улавливания альгината. Другие используемые синтетические полимеры включают смолы, полиуретановые форполимеры и т. Д. Некоторые из основных ограничений системы улавливания — проблема диффузии, когда возможна медленная утечка во время непрерывного использования из-за небольшого молекулярного размера биоактивных факторов и стерических затруднений, которые могут повлиять на реактивность факторов.Недавняя разработка гидрогелей и водорастворимых полимеров пытается преодолеть эти недостатки и привлекла большое внимание в области биомедицины.

Рисунок 5.

Схематическая диаграмма, показывающая барьерную систему с белками.

3.2.3. Сшивание

Биоактивные факторы также могут быть иммобилизованы посредством химического сшивания с помощью гомо-, а также гетеробифункциональных сшивающих агентов. Среди них сшивание глутаральдегидом является наиболее популярным из-за его низкой стоимости, высокой эффективности и стабильности [58-60].Глутаральдегид часто используется как гомобифункциональный сшивающий агент, реагирующий с амином, в биохимических приложениях.

Фиг. 6.

Схематическая диаграмма, показывающая сшивание глутаральдегида с белками.

3.2.4. Ковалентное связывание

Ковалентное связывание — это еще один метод, используемый для иммобилизации биоактивных молекул. Исследуемые функциональные группы обычно представляют собой карбоксильную, амино и фенольную группу тирозина. Биоактивные факторы ковалентно связаны через функциональные группы в факторах, не существенных для биоактивности.Ковалентное связывание следует оптимизировать, чтобы защитить активный сайт и не изменить его конформационную гибкость.

Фигура 7.

Схематическая диаграмма, показывающая полимеризацию дофамина при щелочном pH и сдвиг равновесия в сторону хиноновых функциональных групп для реакционной способности с белками.

3.2.5. Сравнение различных методов иммобилизации

Несколько методов иммобилизации ангиогенных факторов роста на субстратах были изучены и опубликованы [61-66].Краткое изложение краткого исследования эффективности иммобилизации VEGF с помощью различных режимов функционализации на Ti-6Al-4V, включая физическую адсорбцию, поперечное сшивание и ковалентное связывание (адаптированное для ортопедических применений), представлено здесь для оценки эффективности каждого метода . Поскольку физический захват не подходит в этом случае для улучшения границы раздела кость-имплантат через поверхность материала имплантата, эта система не исследуется. В таблице 1 приведены параметры эффективности связывания, цитотоксичности, профиля высвобождения и количества шагов, необходимых для изготовления субстратов.

Два

	Эффективность связывания (нагрузка 50 нг)	Цитотоксичность	Фактор высвобождения сверхурочно	006 3 Активная форма 9
Физическая адсорбция (через простое покрытие)	86%	0,677	«/> 30% через 1 месяц	Растворимый	Одностадийный
Сшивка (через глутаровый альдегид)	56%	0.449	Нет	Иммобилизовано	Три этапа
Ковалентное связывание (через конъюгацию полидофамина)	52%	0,841	Нет	Иммобилизовано		Наивысшая степень физической активности скорость связывания, однако, также наблюдалось неконтролируемое высвобождение факторов из субстрата, что может быть нежелательным [67-69]. Измерение процента факторов, высвобожденных в раствор за 30-дневный период, показало, что высвобождено более 30% факторов.В ряде исследований изучали простое покрытие или нагрузку факторов на имплантаты [67–73], чтобы обеспечить местную и устойчивую доставку после имплантации. Однако при использовании этой стратегии некоторые исследования показали неконтролируемый начальный всплеск кинетики высвобождения факторов из таких имплантатов [67–69]. Высокий уровень факторов в локальном микроокружении этих имплантатов может быть вредным для заживления и способствовать онкогенезу [74]. Чтобы избежать пагубных последствий, предпочтительнее использовать безопасную стратегию иммобилизации [61, 64-66].Было показано, что иммобилизация факторов роста на имплантатах способствует желаемым взаимодействиям с клеточными субстратами и улучшает функции клеток [62, 63]. Кроме того, было продемонстрировано, что иммобилизованные факторы более эффективны в стимулировании пролиферации клеток по сравнению с растворимыми факторами [65]. И иммобилизованные, и растворимые факторы связываются с рецепторами на клетках, однако они имеют разные эффекты из-за того, что растворимые факторы интернализуются и впоследствии деградируют, в то время как иммобилизация подавляет интернализацию и предотвращает подавление регуляции [64, 75], тем самым позволяя факторам стимулировать пролиферацию. в течение длительного периода времени.Сравнение перекрестного сшивания и ковалентного связывания показывает, что они довольно близки с точки зрения эффективности связывания и не происходит высвобождения факторов роста в раствор, что является предпочтительной методологией. Из показаний цитотоксичности (таблица 1) следует, что существует более низкая жизнеспособность клеток при перекрестном связывании глутаральдегида по сравнению с другими группами. Это может быть связано с тем, что глутаральдегид, как известно, токсичен и способен быстро убивать клетки, связываясь с их белками.Также были сообщения о его токсичности, связанной с плохим ростом, прикреплением и апоптозом клеток [58-60] другими группами. Хотя сшивание глутаральдегидом эффективно закрепляет высокую плотность факторов на поверхности титановой подложки, и молекулы также прикрепляются более прочно, чем те, которые физически адсорбируются, однако связанная с этим токсичность сделала его непригодным для клинического применения. Перспективным выглядит использование ковалентной иммобилизации полидофамином. Было обнаружено, что полидофамин способен образовывать тонкие адгезивные пленки на самых разных металлических подложках за счет ковалентных связей и различных сильных межмолекулярных взаимодействий, включая хелатирование металлов, водородные связи и π-π взаимодействия [76], которые не могут быть нарушены обычными механическими силами.Использование этого биореактивного слоя для ковалентного биоконъюгирования с биоактивными факторами в ортопедических целях имеет большой потенциал. Хотя универсальные средства иммобилизации не могут быть доступны, тем не менее, жизненно важно разработать жизнеспособную методологию, которая может обеспечить безопасную иммобилизацию с хорошими взаимодействиями для ортопедических имплантатов. Выбор метода будет зависеть от природы биологически активных факторов, субстратов и их применения. Разработка процедур модификации поверхности, которые не влияют на целостность субстрата и биоактивность факторов роста, имеет решающее значение для получения желаемого эффекта функционализации поверхности.Это предоставит нам безопасный и эффективный метод прикрепления биоактивных молекул к поверхности титанового материала имплантата, обеспечивающий усиление взаимодействий между клетками и имплантатами, полезное для ортопедических применений. 4. Выводов Существует постоянно растущая потребность в ортопедическом продвижение с высокой распространенностью и влиянием заболеваний опорно-двигательных. 50% населения мира старше 65 лет страдают заболеваниями суставов, а более 25% населения старше 65 лет нуждаются в медицинской помощи при заболеваниях суставов.Число случаев неудачной замены суставов, связанной с остеолизом и дефектами костей, увеличивается. Настоятельно необходимо повысить успешность фиксации костного имплантата и его долговечность. Фиксация ортопедических имплантатов — одна из самых сложных проблем, с которыми сталкиваются хирурги-ортопеды и пациенты. Фиксация часто может быть достигнута путем прямой биологической фиксации, позволяя тканям врастать в поверхность имплантатов, или с использованием костного цемента, действующего в качестве затирочного материала.Независимо от того, используется ли фиксация с использованием цемента или без цемента, проблемы микродвижения и образование частиц износа могут в конечном итоге потребовать дополнительной хирургической операции. Ревизионная операция сопряжена с повышенными рисками, такими как тромбоз глубоких вен, инфекция и вывих, а также является экономическим бременем для пациента. Следовательно, улучшение интеграции имплантата принесет огромные преимущества. Титановый сплав — один из наиболее часто используемых материалов в ортопедических имплантатах. Однако, несмотря на хорошую присущую им биоактивность и биосовместимость, проявляемые титановыми сплавами, остеоинтеграция с тканью хозяина все еще не определена, отсутствие биоактивности может иногда вызывать отказ имплантата.Фиксация ортопедических имплантатов — одна из самых сложных проблем, с которыми сталкиваются хирурги-ортопеды и пациенты. Учитывая постоянно растущее число пациентов, нуждающихся в ортопедических реконструкциях, было бы желательно разработать и усовершенствовать титановые сплавы со структурным и биологическим потенциалом для лечения нарушений заживления и дефектов кости. Поставщик титановых сплавов — лист, лист и пруток Металлический элемент, известный своей исключительной прочностью и малым весом по сравнению с некоторыми сталями. Титан может быть легирован рядом различных элементов для ряда применений, включая аэрокосмическую, военную, автомобильную и промышленную промышленность. Титановый сплав Марка Применения Дополнительная информация Титан 6-4 Используется в высокотемпературных приложениях, таких как турбины и конструктивные элементы самолетов. Подробнее Титан, сорт 1 Высокопластичный и свариваемый титановый сплав, часто используемый в аэрокосмической и химической промышленности. Запросить предложение Титан марки 2 Идеально подходит для аэрокосмической, химической, гальванической и медицинской промышленности. Запросить ценовое предложение Титан марки 3 Титановый сплав с высокой формуемостью, обеспечивающий превосходную коррозионную стойкость. Запросить ценовое предложение Титан марки 4 Обычно используется в аэрокосмической отрасли, химической обработке и утилизации отходов. Запросить ценовое предложение Титан марки 9 Исключительная коррозионная стойкость, свариваемость и формуемость для широкого спектра отраслей промышленности. Запросить цену 5-2,5 Титан Этот сплав, известный своей стойкостью в широком диапазоне температур, подходит для использования в криогенных условиях. Запросить ценовое предложение 6-2-4-2 Титан Предпочтительный материал в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Подробнее 6-4 ELI Titanium Часто используется в биомедицинских приложениях, включая криогенные сосуды и хирургические компоненты. Запросить цену 6-6-2 Титан Также известный как 6Al-GV-2Sn Ti, 6-6-2 Титан часто используется в военных приложениях. Запросить цену Altemp Alloys также предлагает широкий ассортимент сплавов Inconel®, Super Alloy, нержавеющей стали и кобальта. Электрохимическое поведение титана и его сплавов в качестве зубных имплантатов в физиологическом растворе Было протестировано электрохимическое поведение чистого титана и титановых сплавов в моделированной физиологической жидкости (физиологический раствор), и результаты были опубликованы.Обсуждается значение результатов для стоматологического использования. Испытания также служат в качестве отборочного теста для лучшей системы сплава для более всесторонних долгосрочных исследований. 1. Введение Коммерчески чистый титан и титановые сплавы известны своим использованием в стоматологической практике благодаря хорошей коррозионной стойкости, биосовместимости, и биофункциональность в организме человека [1]. Титан является термодинамически активным металлом, как следует из его относительно отрицательный обратимый потенциал в электрохимическом ряду [2].Он легко окисляется при воздействии воздуха и электролитов с образованием оксидов, гидратированные комплексы и водные катионные разновидности. Оксиды и гидратированные комплексы действуют как барьерные слои между поверхностью титана и окружающей средой окружающей среде и подавить последующее окисление титана через поверхность раздела металл / барьерный слой / раствор. Даже если барьерный слой станет нарушена, она может очень легко реформироваться, что приводит к спонтанному репассивация. Обзор литературы показывает, что была проделана большая работа. об использовании титановых сплавов в качестве протезов при контакте сплава со слюной [3–5].В то время как когда титановые сплавы используются в качестве имплантатов, сплав остается в контакте с слюна только в переходный период заживления костной лунки и десна (десна), но когда она покрыта коронкой, она контактирует только с костные клетки на всю оставшуюся жизнь. Цель этого исследования — сосредоточить внимание на использование титанового сплава в качестве имплантата внутри костной ткани и, следовательно, нормального физиологический раствор был использован для моделирования внеклеточной интерстициальной среды.Снижение pH может происходить внутри костной ткани вследствие хирургической травмы, инфекции [6, 7], а также процесса заживления костной лунки. Ионы Ti3 +, если они образуются, могут гидролизоваться для дальнейшего подкисления области [8]. Подкисление также может наблюдаться в случае возникновения щелевой коррозии в щелях между имплант и коронка [5]. Согласно Блэку [9], потенциал металлического биоматериала может варьироваться от -1 до 1,2 В по сравнению с SCE в теле человека. Таким образом, важно изучить электрохимический поведение титана в этом диапазоне потенциалов. Электрохимическая коррозия технически чистого титана (марки Ti1 и Ti2) и его сплавы, Ti64, TiOs, Ti15Mo и TMZF в физиологическом растворе раствор анализировали при температуре тела 37 ° C. 2. Экспериментальная 2.1. Материалы Подготовка Титановый сплав марок Ti1, Ti2, Ti64, TiOs, Ti15Mo и TMZF составы Ti1 (0,1% C, 0,2% Fe, 0,015% H, 0,03% N, 0,18% O и 99,47% Ti), Ti2 (0,1% C, 0,3% Fe, 0,015% H, 0,03% N, 0,25% O и 99.30% Ti), Ti64 (0,1% C, 0,2% Fe, 0,015% H, 0,03% N, 0,2% O, 6% Al, 4% V и 89,45% Ti), TiO (0,05% C, 0,05% Fe, 0,015% H, 0,02% N, 0,15% O, 35,5% Nb, 5,7% Ta, 7,3% Zr и 51,21% Ti), Ti15Mo (0,05% C, 0,1% Fe, 0,015% H, 0,01% N, 0,15% O, 15% Mo и 84,67% Ti) и TMZF (0,02% C, 2% Fe, 0,02% H, 0,01% N, 0,18% O, 6% Zr, 12% Mo и 79,77% Ti). настоящее расследование. Доступные кубические и цилиндрические стержни были разрезаны на выставить площади поперечного сечения 0,855 см2 для Ti1, 1,0 см2 для Ti2, 1.5525 см2 для Ti64, 1,3270 см2 для TiO, 0,4869 см2 для Ti15Mo и 2,7606 см2 для TMZF в качестве рабочих электродов. Физиологический раствор раствор (5,26 г / л хлорида натрия, 2,22 г / л безводного натрия ацетат, 5,02 г / л глюконата натрия, 0,37 г / л хлорида калия, и 0,3 г / л гексагидрата хлорида магния), имеющего pH 6,6. проводить электрохимические испытания сплавов. 2.2. Измерения Потенциостат Princeton Applied Research 273A использовался для электрохимические измерения.Сборка трехэлектродной ячейки, состоящая из титановый сплав в качестве рабочего электрода, платиновая проволока в качестве противоэлектрода, и в качестве электрода сравнения использовали насыщенный каломельный электрод. 450 мл физиологического раствора использовался для погружения и электрохимические испытания сплавов. Потенциал холостого хода (OCP) Значения потенциала холостого хода сплавов были измеряется сразу после погружения, затем следует продолжительность 2, 6 и 24 часа до семь дней. Тафель После окончания из семи дней кривые Тафеля для различных сплавов были получены путем поляризации каждый электрод от -250 мВ относительно OCP до 2 В со скоростью сканирования ASTM 1 мВ / с [10]. Циклическая поляризация Циклическая поляризационные измерения были расширены после измерений Тафеля путем выбора вершинный потенциал 2 В, при котором сканирование было обращено, а конечный потенциал был -250 мВ по сравнению с OCP. 3. Результаты и обсуждение Из рисунка 1 и таблицы 1 видно, что значения ОСР для всех сплавы показали общее увеличение в течение семи дней, несмотря на то, что в некоторых интервалах наблюдается небольшое снижение 9069 −120 Материал Потенциал холостого хода (мВ) В погружении 2 часа. 6 ч. 1 день 2 дня 3 дня 4 дня 5 дней 6 дней 7 дней Ti1 −107 −107 −152 −148 −131 −121 −125 −117 −120 Ti2 −168 −142 9023 −143 9023 −143 9023 −131 −113 −111 −111 −110 −105 Ti64 −147 −135 −118 −118 0 0 −112 −118 0 0 −65 −56 −46 −44 −41 TiOs −202 −248 −252 −223 −152 3 164 −149 −142 9023 9 −140 Ti15Mo −148 −179 −181 −179 −142 −68 −82 −57 −57 TMZF −184 −218 −227 −235 −208 −175 −160 −133 −120 −120 Сдвиг ОСР в благородном направлении для сплавов предполагает образование пассивной пленки, которая действует как барьер для растворения металла и снижает скорость коррозии. Share This Post  :  Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт