ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОРОШКАTi-40 мае % Nb ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ
|
Аннотация
Содержание 6
Введение 7
Исходные материалы 10
Механическая активация порошков Ti и Nb в планетарной шаровой мельнице АГО-2С 12
Методы исследования 14
Оптическая микроскопия 14
Растровая электронная микроскопия 16
Системы энергодисперстного микроанализа 17
Рентгеноструктурный анализ 18
Исследование морфологии поверхности частиц активированных порошков Ti-40 мас. %
Nb 19
Исследование гранулометрического и элементного состава активированных порошков Ti-
40 мас. % Nb 22
Исследование фазового состава активированных порошков Ti-40 мас. % Nb 26
Заключение 28
Список литературы
Содержание 6
Введение 7
Исходные материалы 10
Механическая активация порошков Ti и Nb в планетарной шаровой мельнице АГО-2С 12
Методы исследования 14
Оптическая микроскопия 14
Растровая электронная микроскопия 16
Системы энергодисперстного микроанализа 17
Рентгеноструктурный анализ 18
Исследование морфологии поверхности частиц активированных порошков Ti-40 мас. %
Nb 19
Исследование гранулометрического и элементного состава активированных порошков Ti-
40 мас. % Nb 22
Исследование фазового состава активированных порошков Ti-40 мас. % Nb 26
Заключение 28
Список литературы
На сегодняшний день титан и его сплавы надежно занимают свое место в области медицинских применений. Благодаря их физико-механическим свойствам, таким как высокая прочность, твердость, коррозионная стойкость, сопротивление усталостным нагрузкам и др., сплавы титана являются перспективными материалами для производства медицинских имплантатов [1, 2]. Особое место среди них занимают сплавы системы Ti-Nb, обладающие меньшим модулем упругости, по сравнению с технически чистым титаном и ниобием [2]. Модуль упругости материала имплантата, близкий по своему значению к костной ткани, уменьшает риск деградации и разрушения кости, а биоинертность способствует улучшению процесса остеоинтеграции и препятствует отторжению имплантата организмом [3, 4].
Аддитивные технологии - это построение материального объекта методами послойного нанесения материала [5]. Использование аддитивных технологий (англ. «add» - добавлять) для изготовления биоимплантатов из сплавов системы Ti-Nb имеет ряд преимуществ, по сравнению с традиционными методами их производства. К таким преимуществам можно отнести то, что в одной технологической цепи находятся все пункты осуществления проекта от задумки до материального осуществления [6]. Все операции, необходимые для создания готового изделия традиционными методами «вычитания» материала (проектирование, моделирование, расчет и др.), в аддитивных технологиях (АТ, АТ-технологии) осуществляются в цифровых системах CAD (область проектирования), CAM (область моделирования), CAE (область механообработки). Все это приводит к тому, что бумажные чертежи становятся неактуальными и затратными по времени.
Помимо упрощения работы с сопутствующей документацией, АТ-технологии, в сравнении с такими технологическими операциями как литье, волочение, прокатка и др., обладают следующими преимуществами [5]:
• возможность получения образцов без закрепления заготовок и сборочных операций;
• меньшее время процесса изготовления изделия;
• меньшее количество затрачиваемого исходного материала;
• возможность создания детали в детали послойным наращиванием, что снимает многие ограничения в конструировании.
В зависимости от исходного материала (порошок, проволока, жидкость, листовой материал) и способа его нанесения, АТ делятся на Bed Deposition и Direct Deposition. Технология Bed Deposition подразумевает сплавление лучом (лазерным, электронным) слоя исходного материала, помещенного на поверхность подложки [7]. В зависимости от используемого материала, в технологии Bed Deposition различают:
• SLA - лазерная стереолитография (жидкость);
• SLM - селективное лазерное сплавление (порошок);
• LOM - послойное ламинирование (листовой материал).
Технологии Direct Deposition характерна прямая подача исходного материала в область спекания. При использовании разных исходных материалов, Direct Deposition подразделяется на:
• DMD - непосредственное нанесение металла (сыпучий материал, порошок);
• EBM - электронно-лучевое плавление (проволока, нить).
SLM (селективное лазерное сплавление) позволяет формировать изделия заданной формы и размеров, используя порошок в качестве исходного материала [8]. При построении изделия, лазерный луч захватывает тесно соприкасающиеся частицы порошка и может испортить материал, который можно было бы использовать повторно. Для повторного использования материала, его просеивают от бракованных частиц, а затем остатки перемешивают с новым порошком для дальнейшего использования [9].
По условному диаметру d или размеру частиц порошки, применяемые в SLM, можно классифицировать следующим образом: нано-дисперсные с d<0,001 мкм,
ультрадисперсные с d=0,01-0,1 мкм, высокодисперсные с d=0,1-10 мкм, мелкие с d=10- 40 мкм, средние с d=40-250 мкм и крупные с d=250-1000 мкм [5]. Средний диаметр частиц (d50) - это параметр, характеризующий порошок. Например, запись d50=40 мкм означает, что у 50% размер частиц порошка меньше или равен 40 мкм [10].
Для каждой установки SLM производители делают свои порошки, которые не пригодны для эксплуатации на других установках. Существующая номенклатура металлических порошков для SLM очень мала. Для каждой установки изготавливаются порошки, обладающие комплексом экспериментально установленных свойств (дисперсность, форма, текучесть, сыпучесть и др.) [11]:
• в машинах Phenix (3D Systems) используется сферический порошок с размерами частиц d50=10 мкм;
• для машин Arcam размер частиц составляет 45-100 мкм.
Особенностью изделий, полученных из порошковых материалов методом SLM, является остаточная пористость, которая влияет на свойства изделия [8]. Размер и форма пор могут варьироваться в зависимости от параметров SLM. К таким параметрам относятся: размер и форма частиц исходного порошка, режим сплавления, состав порошков, мощность и скорость лазерного луча, скорость нагрева и охлаждения материала, время сплавления, наличие защитной атмосферы и др. Оптимальной пористостью обладают изделия, произведённые из порошков сферической формы [5, 7-9, 12].
В промышленных установках SLM используются порошки сферической формы. Это связано с тем, что такие частицы более компактно укладываются в определенный объем. Также сферическая форма частиц обеспечивает «текучесть» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением [13-16]. Однако, на сегодняшний день фирмы, выпускающие порошковые композиции для АТ, не занимаются выпуском сферических порошков системы Ti-Nb.
Помимо формы частиц, однородность элементного и фазового состава влияет на структуру формируемого изделия. При неравномерном распределении компонент в порошковой композиции, в процессе SLM может сформироваться гетерогенная структура [17], что повлияет на физико-механические свойства готового изделия. В связи с этим становится актуальным развитие способов получения порошков системы Ti-Nb для АТ сферической формы или приближенных к ней и однородных по составу. Одним из способов получения порошкового материала для SLM является механическое легирование в планетарной шаровой мельнице [18, 19]. Этот метод позволяет получить порошковые композиции с однородным распределением элементов и формой, приближенной к сферической.
Целью данной работы стало изучение структуры и элементного состава порошков системы Ti-40 мас. % Nb, используемых в селективном лазерном сплавлении.
Аддитивные технологии - это построение материального объекта методами послойного нанесения материала [5]. Использование аддитивных технологий (англ. «add» - добавлять) для изготовления биоимплантатов из сплавов системы Ti-Nb имеет ряд преимуществ, по сравнению с традиционными методами их производства. К таким преимуществам можно отнести то, что в одной технологической цепи находятся все пункты осуществления проекта от задумки до материального осуществления [6]. Все операции, необходимые для создания готового изделия традиционными методами «вычитания» материала (проектирование, моделирование, расчет и др.), в аддитивных технологиях (АТ, АТ-технологии) осуществляются в цифровых системах CAD (область проектирования), CAM (область моделирования), CAE (область механообработки). Все это приводит к тому, что бумажные чертежи становятся неактуальными и затратными по времени.
Помимо упрощения работы с сопутствующей документацией, АТ-технологии, в сравнении с такими технологическими операциями как литье, волочение, прокатка и др., обладают следующими преимуществами [5]:
• возможность получения образцов без закрепления заготовок и сборочных операций;
• меньшее время процесса изготовления изделия;
• меньшее количество затрачиваемого исходного материала;
• возможность создания детали в детали послойным наращиванием, что снимает многие ограничения в конструировании.
В зависимости от исходного материала (порошок, проволока, жидкость, листовой материал) и способа его нанесения, АТ делятся на Bed Deposition и Direct Deposition. Технология Bed Deposition подразумевает сплавление лучом (лазерным, электронным) слоя исходного материала, помещенного на поверхность подложки [7]. В зависимости от используемого материала, в технологии Bed Deposition различают:
• SLA - лазерная стереолитография (жидкость);
• SLM - селективное лазерное сплавление (порошок);
• LOM - послойное ламинирование (листовой материал).
Технологии Direct Deposition характерна прямая подача исходного материала в область спекания. При использовании разных исходных материалов, Direct Deposition подразделяется на:
• DMD - непосредственное нанесение металла (сыпучий материал, порошок);
• EBM - электронно-лучевое плавление (проволока, нить).
SLM (селективное лазерное сплавление) позволяет формировать изделия заданной формы и размеров, используя порошок в качестве исходного материала [8]. При построении изделия, лазерный луч захватывает тесно соприкасающиеся частицы порошка и может испортить материал, который можно было бы использовать повторно. Для повторного использования материала, его просеивают от бракованных частиц, а затем остатки перемешивают с новым порошком для дальнейшего использования [9].
По условному диаметру d или размеру частиц порошки, применяемые в SLM, можно классифицировать следующим образом: нано-дисперсные с d<0,001 мкм,
ультрадисперсные с d=0,01-0,1 мкм, высокодисперсные с d=0,1-10 мкм, мелкие с d=10- 40 мкм, средние с d=40-250 мкм и крупные с d=250-1000 мкм [5]. Средний диаметр частиц (d50) - это параметр, характеризующий порошок. Например, запись d50=40 мкм означает, что у 50% размер частиц порошка меньше или равен 40 мкм [10].
Для каждой установки SLM производители делают свои порошки, которые не пригодны для эксплуатации на других установках. Существующая номенклатура металлических порошков для SLM очень мала. Для каждой установки изготавливаются порошки, обладающие комплексом экспериментально установленных свойств (дисперсность, форма, текучесть, сыпучесть и др.) [11]:
• в машинах Phenix (3D Systems) используется сферический порошок с размерами частиц d50=10 мкм;
• для машин Arcam размер частиц составляет 45-100 мкм.
Особенностью изделий, полученных из порошковых материалов методом SLM, является остаточная пористость, которая влияет на свойства изделия [8]. Размер и форма пор могут варьироваться в зависимости от параметров SLM. К таким параметрам относятся: размер и форма частиц исходного порошка, режим сплавления, состав порошков, мощность и скорость лазерного луча, скорость нагрева и охлаждения материала, время сплавления, наличие защитной атмосферы и др. Оптимальной пористостью обладают изделия, произведённые из порошков сферической формы [5, 7-9, 12].
В промышленных установках SLM используются порошки сферической формы. Это связано с тем, что такие частицы более компактно укладываются в определенный объем. Также сферическая форма частиц обеспечивает «текучесть» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением [13-16]. Однако, на сегодняшний день фирмы, выпускающие порошковые композиции для АТ, не занимаются выпуском сферических порошков системы Ti-Nb.
Помимо формы частиц, однородность элементного и фазового состава влияет на структуру формируемого изделия. При неравномерном распределении компонент в порошковой композиции, в процессе SLM может сформироваться гетерогенная структура [17], что повлияет на физико-механические свойства готового изделия. В связи с этим становится актуальным развитие способов получения порошков системы Ti-Nb для АТ сферической формы или приближенных к ней и однородных по составу. Одним из способов получения порошкового материала для SLM является механическое легирование в планетарной шаровой мельнице [18, 19]. Этот метод позволяет получить порошковые композиции с однородным распределением элементов и формой, приближенной к сферической.
Целью данной работы стало изучение структуры и элементного состава порошков системы Ti-40 мас. % Nb, используемых в селективном лазерном сплавлении.
Были изучены морфология, гранулометрический, элементный и фазовый состав порошка Ti-40 мас. % Nb, активированного в течение 10, 15, 20 и 25 минут в планетарной шаровой мельнице АГО-2С, используемых для SLM.
При увеличении времени механической активации порошка Ti-40 мас. % Nb от 10 до 25 минут с шагом в 5 минут, крупные агломераты измельчаются. Форма частиц изменяется от неправильной до округлой.
С ростом времени активации интервал значений размеров частиц уменьшается. Средний размер частиц варьируется от 28,2 до 14,8 мкм. Во всех случаях элементный состав представлен титаном, ниобием, небольшой примесью тантала и кислорода. С увеличением времени активации доля кислорода растет.
В процессе механической активации фазы основных компонентов - a-Ti и P-Nb растворяются друг в друге и формируют твердый раствор Ti и Nb - в- TiNb. С увеличением времени активации доля в-фазы возрастает.
Таким образом, порошок Ti-40 мас. % Nb, активированный в планетарной шаровой мельнице АГО-2С, может быть использован для реализации технологии SLM.
При увеличении времени механической активации порошка Ti-40 мас. % Nb от 10 до 25 минут с шагом в 5 минут, крупные агломераты измельчаются. Форма частиц изменяется от неправильной до округлой.
С ростом времени активации интервал значений размеров частиц уменьшается. Средний размер частиц варьируется от 28,2 до 14,8 мкм. Во всех случаях элементный состав представлен титаном, ниобием, небольшой примесью тантала и кислорода. С увеличением времени активации доля кислорода растет.
В процессе механической активации фазы основных компонентов - a-Ti и P-Nb растворяются друг в друге и формируют твердый раствор Ti и Nb - в- TiNb. С увеличением времени активации доля в-фазы возрастает.
Таким образом, порошок Ti-40 мас. % Nb, активированный в планетарной шаровой мельнице АГО-2С, может быть использован для реализации технологии SLM.
