Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОРИСТО-МОНОЛИТНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ДИФФУЗИОННОГО СПЕКАНИЯ

Актуальность работы.
Сплавы на основе интерметаллида никелида титана (TiNi) успешно решают широкий спектр задач в медицине и технике [1]. Благодаря комплексу уникальных свойств, таких как эффект памяти формы, сверхэластичность, демпфирующая способность, высокий уровень биосовместимости и коррозионной стойкости возможно достижение новых функциональных характеристик материалов, которые традиционным материалам несвойственны [1]. Освоены технологии получения пористых и монолитных материалов на основе никелида титана, которые отличаются по своим конструкционным и функциональным свойствам [1]. 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 [2]. Методами порошковой металлургии разработаны имплантируемые конструкции на основе пористого никелида титана для использования в онкологии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии [1]. Однако, пористые материалы по деформационно-прочностным характеристикам уступают монолитным. В связи с этим существует необходимость решения данной проблемы, и разработка нового класса пористо-монолитных материалов на основе TiNi является актуальной темой исследования. Монолитная часть конструкции значительно повышает ее физико-механические свойства, в то время как пористая часть призвана улучшать интеграционную способность имплантата в живой костной ткани [1]. При создании таких устройств необходимо решить основную задачу качественного спекания пористой и монолитной частей, не допустив при этом разупрочнения монолитной пластины при спекании из -за процессов рекристаллизации при высокотемпературной выдержке.
Методы порошковой металлургии позволяют получать пористые изделия с необходимыми структурными и физико-механическими свойствами, которые достичь другими способами невозможно . Методом самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза, в основе которого лежит использование тепла, выделившегося в процессе химической реакции, получают бескислородные тугоплавкие соединения, интерметаллиды, сложные оксиды, гидриды, фосфиды, однофазные твердые растворы бинарных соединений и другие [2]. Однако в промышленности наиболее распространен метод твердофазного спекания на основе однофазных и многофазных систем. За механизм массопереноса в данном случае ответственна твердофазная диффузия компонентов спекаемого материала, при котором происходит изменение линейных и объемных параметров спекаемого тела. На ряду с твердофазным спеканием известен метод жидкофазного спекания, заключающийся в плавлении легкоплавкой компоненты, из которой формируется жидкая фаза, смачивающая частицы твердой фазы. Кроме того, участие жидкой фазы интенсифицирует процессы диффузии и облегчает процессы взаимозамещения частиц.
Решение задачи получения пористо-монолитных материалов на основе никелида титана возможно за счет использования активирующей способности малых добавок кобальта. Реакционное взаимодействие Co с фазой Ti2Ni сопровождается выделением тепла [2, 3 - 6], что может помочь скомпенсировать теплопотери от введения монолитной части. Более того, кобальт является эффективными инструментом регулирования структурных характеристик и физико-механических свойств пористого сплава на основе TiNi [7]. Исходя из этого, целью работы является исследование структуры и свойств пористо-монолитного материала на основе никелида титана с добавкой Co, полученного методом диффузионного спекания.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Получить методом диффузионного спекания экспериментальные образцы пористого и пористо-монолитного материала на основе сплава TiNi с добавкой 1,5 ат. % Co;
2. Исследовать макро- и микроструктурные особенности полученных пористых и пористо-монолитных материалов на основе TiNi с добавкой 1,5 ат. % Co, а также монолитных сплавов марок разного состава;
3. Сформировать критерии выбора монолитных сплавов TiNi различного состава в перспективе использования их при изготовлении пористо-монолитных материалов на основе никелида титана;
4. Изучить деформационно-прочностные характеристики пористо-монолитного материала на основе TiNi, параметры формоизменения в ходе мартенситных превращений под действием постоянной нагрузки с помощью эксперимента по анализу многократного эффекта памяти формы и определить температурную зависимость удельного электросопротивления.
Для решения поставленных задач разработан состав порошковой шихты для получения пористого материала на основе никелида титана с добавкой кобальта 1,5 ат. %. Экспериментальные пористые и пористо-монолитные материалы на основе никелида титана получены методом диффузионного спекания. Монолитная часть на основе никелида титана получена путем прокатки с промежуточными отжигами .
Научная новизна работы:
Основная научная идея диссертационной работы состоит в применении методики активации процессов спекания с целью создания биосовместимых пористо-монолитных материалов на основе никелида титана для изготовления имплантируемых конструкций. Предлагается использование метода диффузионного спекания порошка никелида титана с активирующими порошковыми добавками кобальта с целью понижения температур спекания и сохранения высоких функциональных свойств монолитной части. Получаемые таким методом материалы отличаются развитой мелкопористой макроструктурой порового пространства и однородным концентрационным и фазовым составом пористой эластичной части изделия, при сохранении высоких деформационно-прочностных параметров монолитной части, а в целом достигается высокое качество спекания пористой части к монолитной.
В ходе работы впервые:
1. Установлено, что добавка 1,5 ат. % кобальта при получении пористых материалов на основе никелида титана методом диффузионного спекания порошка TiNi является оптимальной для создания пористо-монолитных материалов оказывая положительное влияние на процесс спекания. Благодаря экзотермической реакции при структурообразовании, добавка Co позволяет эффективно регулировать параметры макро - и микроструктуры.
2. Выявлено, что монолитный сплав TiNi марки ТН-20 имеет оптимальные характеристики для создания пористо-монолитных материалов. Разработанный комплекс совместной химической и механической обработки поверхности пластин повышает адгезионные свойства материала.
3. Установлено, что спекание порошка никелида титана с добавкой 1,5 ат. % Co позволяет получать пористо-монолитные материалы на основе сплава TiNi с высоким качеством спекания пористой и монолитной частей, сохраняя при этом регулярную структуру пористой части. На границе пористой и монолитной части частицы порошка образуют переходный контактный слой на поверхности пластины TiNi, в структуре которой не обнаружено увеличение концентрации частиц вторичных фаз Ti2Ni и Ti4Ni2(O, N, С).
4. Представлен комплексный подход по исследованию функциональных свойств пористо-монолитных материалов на основе никелида титана с добавкой кобальта. Исследованы деформационно-прочностные свойства, зависимость о - в является типичной для сплавов на основе никелида титана с мартенситными превращениями. Фазовые переходы в пористо-монолитных материалах реализуются в широком температурном интервале, который соответствует тканям организма человека.
Научно-практическая значимость работы. Научно-практическая значимость работы связана с возможностью создания пористо-монолитных материалов на основе никелида титана с добавками Co в областях медицинской имплантологии при решении задач, где существуют повышенные требования к деформационно-прочностным свойствам имплантируемых устройств. Методика применения добавки Co при диффузионном спекании порошка никелида титана позволяет активировать процесс массопереноса и снизить температуры получения пористо-монолитных устройств, используемых в челюстно-лицевой хирургии, онкологии, стоматологии. Помимо этого, данные материалы могут быть использованы в качестве демпфирующих устройств за счет широкого гистерезиса реализации мартенситных превращений благодаря пористой части материала. Возможно использование результатов при создании устройств и ответственных узлов машин, рассеивающих теплоту за счет наличия развитой объемной трехмерной структуры пористой части. Заложены основы для дальнейшего развития исследований пористомонолитных материалов на основе TiNi с различными легирующими добавками и представлены результаты их структурных исследований.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты исследования влияния добавки кобальта на фазово-химический состав и деформационно-прочностные свойства пористого материала на основе никелида титана, полученного методом диффузионного спекания.
2. Результаты исследования характеристических температур мартенситных превращений монолитных сплавов на основе никелида титана различных марок для их использования в качестве монолитной части при создании пористо-монолитных материалов.
3. Экспериментально установленные деформационно-прочностные свойства, параметры формоизменения и температурные интервалы мартенситных превращений в полученных пористо-монолитных материалах.
Апробация работы. По результатам магистерской диссертации опубликовано 15 научных работ: 6 статей, входящих в базы данных ВАК, 9 публикаций в сборниках научных трудов и материалов всероссийских и международных конференций: VI Международная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике», (г. Томск, 2017); VII Международная научнотехническая молодежная конференция «Высокие технологии в современной науке и технике», (г. Томск, 2018); Международная научно-техническая молодежная конференция «Перспективные материалы конструкционного и медицинского назначения», (г. Томск, 2018); XV Международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», (г. Барнаул, 2018); XVI Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», (г. Томск, 2019); VIII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», (г. Москва, 2019 г.); Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», (г. Томск, 2019 г.); XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», (г. Томск, 2020 г.).
Купить

1. Установлено, что добавка кобальта при получении пористых материалов на основе никелида титана методом диффузионного спекания порошка никелида титана оказывает активирующее действие на процесс спекания за счет экзотермической реакции, которая позволяет регулировать параметры макро- и микроструктуры. В пористом сплаве с добавкой кобальта установлено наличие аустенитной фазы B2, мартенситной B19', Ti2Ni, Ti.sNi.i, а также крупных частиц оксикарбонитридов Ti4Ni2(O, N, С). В сплаве никелида титана с добавкой 1,5 ат. % кобальта наблюдается минимальный уровень напряжения мартенситного сдвига, что позволяет вызвать мартенситный переход при меньшем уровне напряжений.
2. Наиболее перспективным сплавом для получения пористо-монолитных материалов является сплав ТН-20, за счет максимальной температуры Ms = 4,1 °С и минимальной величины гистерезиса по сравнению с другими сплавами. Разработанный комплекс совместной химической и механической обработки поверхности монолитного сплава повышает адгезионные свойства материала.
3. Установлено, что спекание порошка никелида титана с добавкой 1,5 ат. % кобальта позволяет получать пористо-монолитные материалы на основе сплава никелида титана с высоким качеством спекания пористой и монолитной частей, сохраняя при этом регулярную структуру пористой части.
4. В пористо-монолитных материалах наблюдается стадийность превращения, что обусловлено влиянием пористой части . Для пористо-монолитных материалов отмечено наличие перехлеста кривых деформации при охлаждении и нагреве с четкой ступенью, что является следствием деформационного поведения пористой части, которая неравномерно испытывает фазовый мартенситный переход.
5. Исследованы деформационно-прочностные свойства пористо-монолитных материалов на основе никелида титана. Установлено, что предел прочности пористомонолитного материала составляет около 182 МПа при деформации до разрушения 9,4 %, являясь прочнее пористого материала. Кривая разрушения имеет нетипичные интервалы снижения напряжения, связанные с формированием поперечных трещин в пористой части материала в ходе нагружения.
6. Пористо-монолитный материал проявляет обратимую деформацию, при этом захватывая область рабочих температур от 22 до 63 °С, что позволяет получать пористомонолитный материал с характеристиками, приемлемыми для его использования в имплантологии.
Купить