СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОРИСТОГО TINI, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ДИФФУЗИОННОГО СПЕКАНИЯ
|
АННОТАЦИЯ 3
Введение 4
1 Влияние атомного состава соединения TiNi на свойства сплава на основе никелида титана 6
1.1 Фазовая диаграмма системы Ti - Ni 6
1.2 Мартенситные превращения в сплавах на основе никелида титана,
обогащенных никелем 12
1.3 Мартенситные превращения в сплавах на основе никелида титана,
обогащенных титаном 17
2 Влияние структурных особенностей пористо-проницаемого материала на основе
никелида титана на его пропускную способность 22
2.1 Поверхностное натяжение 24
2.2 Капиллярные явления 26
2.3 Течение жидкостей в капиллярах и пористых средах 31
3 Диффузионное спекание гидридно-кальциевого порошка никелида титана 35
3.1 Твердофазное и жидкофазное спекание 36
4 Постановка задачи. Материалы и методы 39
4.1 Постановка задачи 39
4.2 Материалы и методы 40
5 Структура пористых сплавов на основе никелида титана с добавками титана,
полученного методом диффузионного спекания 45
6 Проницаемость пористых материалов на основе никелида титана с добавками титана ..50
Заключение 58
Список литературы 60
Введение 4
1 Влияние атомного состава соединения TiNi на свойства сплава на основе никелида титана 6
1.1 Фазовая диаграмма системы Ti - Ni 6
1.2 Мартенситные превращения в сплавах на основе никелида титана,
обогащенных никелем 12
1.3 Мартенситные превращения в сплавах на основе никелида титана,
обогащенных титаном 17
2 Влияние структурных особенностей пористо-проницаемого материала на основе
никелида титана на его пропускную способность 22
2.1 Поверхностное натяжение 24
2.2 Капиллярные явления 26
2.3 Течение жидкостей в капиллярах и пористых средах 31
3 Диффузионное спекание гидридно-кальциевого порошка никелида титана 35
3.1 Твердофазное и жидкофазное спекание 36
4 Постановка задачи. Материалы и методы 39
4.1 Постановка задачи 39
4.2 Материалы и методы 40
5 Структура пористых сплавов на основе никелида титана с добавками титана,
полученного методом диффузионного спекания 45
6 Проницаемость пористых материалов на основе никелида титана с добавками титана ..50
Заключение 58
Список литературы 60
Сплавы на основе никелида титана (TiNi) имеют особое значение в медицине, имплантируемые конструкции на их основе используются при решении самых сложных задач в ортопедии, травматологии, хирургии и стоматологии [1 - 8]. Благодаря
совокупности уникальных свойств, таких как эффект памяти формы, сверхэластичность, демпфирующая способность, высокий уровень биохимической и биомеханической совместимости, возможно достижение нового комплекса функциональных свойств, которые традиционным материалам не характерны. В настоящее время разработаны технологии получения монолитных и пористых материалов на основе TiNi, которые отличаются по своим конструкционным и функциональным свойствам [1, 5]. Пористые материалы на основе TiNi успешно применяются в медицине за счет соответствия гистерезисного поведения материала биологическим тканям организма человека и особой развитой трехмерной структуры пористого пространства близкого к анатомическому строению костной ткани, что в совокупности обеспечивает благоприятные условия для интеграции имплантируемого устройства [1 - 4].
Для создания биосовместимых материалов на основе никелида титана используют методы порошковой металлургии: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) и диффузионное спекание (ДС). Основным преимуществом данных методов является возможность получения биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с необходимыми структурными и физико-механическими параметрами. СВС основан на использовании тепла, выделившегося в процессе химической реакции компонентов шихты. Для получения пористых материалов медицинского назначения методом СВС в режиме послойного синтеза используют порошки титана марки ПТОМ и никеля ПНК.
Метод диффузионного спекания с использованием готового гидридно-кальциевого порошка на основе TiNi позволяет создавать пористые сплавы никелида титана с уникальной развитой шероховатой поверхностью стенок пор [1 - 5]. Диффузионным спеканием порошка TiNi получают имплантируемые конструкции, используемые в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии. Пористые сплавы TiNi, полученные методом ДС, отличаются более высокой степенью однородности фазовохимического состава по сравнению с имплантационными материалами, полученными другими методами порошковой металлургии [2, 3, 6 - 8]. Проблемой, возникающей при создании методом ДС биосовместимого материала на основе TiNi, является смещение соотношения Ti и Ni в атомном составе соединения TiNi в сторону обеднения по Ti в результате сегрегации титана на свободные поверхности, окисления, образования частиц Ti2Ni и Ti4Ni2(O, N, C). При этом наблюдается формирование избыточного количества фаз TisNi4, что дисперсионно упрочняет матричную фазу TiNi, приводя к снижению функциональных свойств сплава на основе никелида титана [9].
Данная проблема может быть решена путем использования добавок Ti. При этом происходит компенсация обеднения по Ti в спекаемой системе порошка, что позволит создать сплав на основе никелида титана с возможностью реализации мартенситных превращений (МП) при температурах близких организму человека. Таким образом, целью данного исследования является исследование влияния добавок Ti на структурные особенности и свойства пористо-проницаемого сплава на основе TiNi, полученного методом диффузионного спекания.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературные источники на тему влияния атомного состава соединения TiNi на свойства сплава на основе никелида титана;
2. Получить образцы пористо-проницаемого сплава на основе TiNi - Ti методом диффузионного спекания с различной концентрацией добавки Ti (2,5 - 10 ат. %);
3. Изучить влияние добавок Ti на фазово-химический состав пористого сплава на основе никелида титана;
4. Исследовать влияние структурных особенностей пористо-проницаемого материала на основе никелида титана на его пропускную способность ;
5. Исследовать структурные параметры порового пространства (коэффициент пористости, средний размер пор, распределение пор и межпоровых перемычек по размерам) и фазово-химический состав сплава TiNi - Ti;
6. Исследовать коэффициент проницаемости пористо-проницаемых образцов на основе сплава TiNi - Ti. Анализ полученных результатов
совокупности уникальных свойств, таких как эффект памяти формы, сверхэластичность, демпфирующая способность, высокий уровень биохимической и биомеханической совместимости, возможно достижение нового комплекса функциональных свойств, которые традиционным материалам не характерны. В настоящее время разработаны технологии получения монолитных и пористых материалов на основе TiNi, которые отличаются по своим конструкционным и функциональным свойствам [1, 5]. Пористые материалы на основе TiNi успешно применяются в медицине за счет соответствия гистерезисного поведения материала биологическим тканям организма человека и особой развитой трехмерной структуры пористого пространства близкого к анатомическому строению костной ткани, что в совокупности обеспечивает благоприятные условия для интеграции имплантируемого устройства [1 - 4].
Для создания биосовместимых материалов на основе никелида титана используют методы порошковой металлургии: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) и диффузионное спекание (ДС). Основным преимуществом данных методов является возможность получения биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с необходимыми структурными и физико-механическими параметрами. СВС основан на использовании тепла, выделившегося в процессе химической реакции компонентов шихты. Для получения пористых материалов медицинского назначения методом СВС в режиме послойного синтеза используют порошки титана марки ПТОМ и никеля ПНК.
Метод диффузионного спекания с использованием готового гидридно-кальциевого порошка на основе TiNi позволяет создавать пористые сплавы никелида титана с уникальной развитой шероховатой поверхностью стенок пор [1 - 5]. Диффузионным спеканием порошка TiNi получают имплантируемые конструкции, используемые в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии. Пористые сплавы TiNi, полученные методом ДС, отличаются более высокой степенью однородности фазовохимического состава по сравнению с имплантационными материалами, полученными другими методами порошковой металлургии [2, 3, 6 - 8]. Проблемой, возникающей при создании методом ДС биосовместимого материала на основе TiNi, является смещение соотношения Ti и Ni в атомном составе соединения TiNi в сторону обеднения по Ti в результате сегрегации титана на свободные поверхности, окисления, образования частиц Ti2Ni и Ti4Ni2(O, N, C). При этом наблюдается формирование избыточного количества фаз TisNi4, что дисперсионно упрочняет матричную фазу TiNi, приводя к снижению функциональных свойств сплава на основе никелида титана [9].
Данная проблема может быть решена путем использования добавок Ti. При этом происходит компенсация обеднения по Ti в спекаемой системе порошка, что позволит создать сплав на основе никелида титана с возможностью реализации мартенситных превращений (МП) при температурах близких организму человека. Таким образом, целью данного исследования является исследование влияния добавок Ti на структурные особенности и свойства пористо-проницаемого сплава на основе TiNi, полученного методом диффузионного спекания.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературные источники на тему влияния атомного состава соединения TiNi на свойства сплава на основе никелида титана;
2. Получить образцы пористо-проницаемого сплава на основе TiNi - Ti методом диффузионного спекания с различной концентрацией добавки Ti (2,5 - 10 ат. %);
3. Изучить влияние добавок Ti на фазово-химический состав пористого сплава на основе никелида титана;
4. Исследовать влияние структурных особенностей пористо-проницаемого материала на основе никелида титана на его пропускную способность ;
5. Исследовать структурные параметры порового пространства (коэффициент пористости, средний размер пор, распределение пор и межпоровых перемычек по размерам) и фазово-химический состав сплава TiNi - Ti;
6. Исследовать коэффициент проницаемости пористо-проницаемых образцов на основе сплава TiNi - Ti. Анализ полученных результатов
1. Изучена научная литература на тему влияния атомного состава соединения TiNi на свойства сплава на основе никелида титана. Установлено, что изменение концентрации на 0,1 ат. % Ni приводит к изменению характеристических температур фазовых переходов более чем на 10 °С. Показано, что в сплавах TiNi, обогащенных Ti, температуры мартенситных превращений не меняются. Напротив, в сплавах TiNi, обогащенных Ni, наблюдается снижение температур мартенситных превращений до температуры кипения жидкого азота, что связано с растворимостью никеля в TiNi.
2. Исследовано влияние структурных особенностей пористо-проницаемого материала на основе никелида титана на его пропускную способность. Установлено, что характер течения жидкости в поровом пространстве зависит от таких параметров, как краевой угол, капиллярное давление, поверхностное натяжение, адгезия, которые главным образом определяют скорость течения жидкости в пористых средах.
3. Выполнено исследование структурных особенностей полученных методом диффузионного спекания пористых сплавов на основе никелида титана с различной концентрацией добавки Ti. Определены параметры макроструктуры порового пространства сплавов TiNi - Ti - коэффициент пористости, средний размер пор и межпоровых перемычек, построено распределение пор и межпоровых перемычек по размерам. Для полученных образцов TiNi-2,5Ti, TiNi-5Ti и TiNi-7,5Ti коэффициент пористости составила 62,4, 61,3 и 58,8 %, соответственно. Получено одномодальное распределение пор и межпоровых перемычек. Средний размер пор и межпоровых перемычек для образца TiNi-2,5Ti составили 100,8 мкм и 63,6 мкм; для TiNi-5Ti - 60,9 мкм и 82,2 мкм; TiNi-7,5Ti - 55,9 мкм и 73,1 мкм, соответственно. Распределение пор и межпоровых перемычек по размерам для всех исследованных образцов находится в узком интервале 0 - 450 мкм и 0 - 400 мкм, соответственно.
4. Показано влияние концентрации добавки титана на структурные особенности материала на основе TiNi - Ti и исследован фазово-химический состав. Помимо фаз TiNi(B2 + B19') в матрице были обнаружены следующие фазы: Ti2Ni, TiNi3, Ti3Ni4. С увеличением концентрации (с 2,5 до 10 ат. %) объемное содержание Ti2Ni увеличилось с 8,3 % до 25,3 %, что привело к получению практически монолитного материала. Установлено, что добавка 5 ат. % Ti является оптимальной для создания пористых сплавов на основе никелида титана с развитой структурой порового пространства. Использование данной концентрации позволяет решить задачу коррекции атомного состава соединения TiNi, что дает возможность получить материал с температурами мартенситных превращений близкими температуре организма человека.
5. Выполнено экспериментальное исследование коэффициента проницаемости
полученных пористо-проницаемых материалов на основе TiNi - Ti. Установлено, что величина коэффициента проницаемости имеет сложную зависимость от таких параметров макроструктуры порового пространства, как пористость, размер пор. Коэффициент проницаемости пористых материалов, полученных методом спекания (К = 0,025 х 10-9 - 0,044 х 10-9 м2), меньше по сравнению с СВС-материалами (К = 0,189 х 10-9 м2), что объясняется меньшим размером пор и менее развитой структурой порового пространства.
2. Исследовано влияние структурных особенностей пористо-проницаемого материала на основе никелида титана на его пропускную способность. Установлено, что характер течения жидкости в поровом пространстве зависит от таких параметров, как краевой угол, капиллярное давление, поверхностное натяжение, адгезия, которые главным образом определяют скорость течения жидкости в пористых средах.
3. Выполнено исследование структурных особенностей полученных методом диффузионного спекания пористых сплавов на основе никелида титана с различной концентрацией добавки Ti. Определены параметры макроструктуры порового пространства сплавов TiNi - Ti - коэффициент пористости, средний размер пор и межпоровых перемычек, построено распределение пор и межпоровых перемычек по размерам. Для полученных образцов TiNi-2,5Ti, TiNi-5Ti и TiNi-7,5Ti коэффициент пористости составила 62,4, 61,3 и 58,8 %, соответственно. Получено одномодальное распределение пор и межпоровых перемычек. Средний размер пор и межпоровых перемычек для образца TiNi-2,5Ti составили 100,8 мкм и 63,6 мкм; для TiNi-5Ti - 60,9 мкм и 82,2 мкм; TiNi-7,5Ti - 55,9 мкм и 73,1 мкм, соответственно. Распределение пор и межпоровых перемычек по размерам для всех исследованных образцов находится в узком интервале 0 - 450 мкм и 0 - 400 мкм, соответственно.
4. Показано влияние концентрации добавки титана на структурные особенности материала на основе TiNi - Ti и исследован фазово-химический состав. Помимо фаз TiNi(B2 + B19') в матрице были обнаружены следующие фазы: Ti2Ni, TiNi3, Ti3Ni4. С увеличением концентрации (с 2,5 до 10 ат. %) объемное содержание Ti2Ni увеличилось с 8,3 % до 25,3 %, что привело к получению практически монолитного материала. Установлено, что добавка 5 ат. % Ti является оптимальной для создания пористых сплавов на основе никелида титана с развитой структурой порового пространства. Использование данной концентрации позволяет решить задачу коррекции атомного состава соединения TiNi, что дает возможность получить материал с температурами мартенситных превращений близкими температуре организма человека.
5. Выполнено экспериментальное исследование коэффициента проницаемости
полученных пористо-проницаемых материалов на основе TiNi - Ti. Установлено, что величина коэффициента проницаемости имеет сложную зависимость от таких параметров макроструктуры порового пространства, как пористость, размер пор. Коэффициент проницаемости пористых материалов, полученных методом спекания (К = 0,025 х 10-9 - 0,044 х 10-9 м2), меньше по сравнению с СВС-материалами (К = 0,189 х 10-9 м2), что объясняется меньшим размером пор и менее развитой структурой порового пространства.
