Ультрамелкозернистая структура увеличила долговечность отечественного биосплава Ti-45Nb

В 1,5 раза возрос предел выносливости в условиях гигацикловой усталости отечественного биосовместимого сплава титана с ниобием благодаря ультрамелкозернистой структуре, полученной методом трехмерной пластической деформации. Такие результаты показало исследование, проведенное лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) совместно с сотрудниками Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН (ИМСС УрО РАН).

Титан благодаря своей высокой удельной прочности, долговечности, коррозионной стойкости и биосовместимости является наиболее предпочтительным материалом для изготовления медицинских имплантатов, в том числе таких, как искусственные тазобедренные суставы, пластины для остеосинтеза, винты и стержни для крепления позвоночника, стоматологические винты и прочие элементы, которые подвергаются длительному циклическому нагружению при использовании. Главным недостатком титановых имплантатов считается большая разница в механических характеристиках костной ткани и металла, из-за чего возникает неравномерность в распределении нагрузок в местах соединения кости и металла.

Титан куда более жесткий материал, чем кость. Модуль упругости титана превышает 100 ГПа, в то время как для кости эта характеристика не превосходит 30 ГПа. В связи с этим перспективным направлением считается использование в качестве материала для медицинских имплантатов сплава титана с ниобием, металлом также биологически инертным. Модуль упругости такого сплава составляет величину 50-60 ГПа. Но как он поведет себя при гигацикловом (более 10⁹ циклов) усталостном нагружении? И как повлияет на эту характеристику структура сплава? Именно этот вопрос исследовали специалисты ИФПМ СО РАН и ИМСС УрО РАН.

Рис. 1. Сплав Ti-45Nb с крупнозернистой (слева) и ультрамелкозернистой (справа) структурой под микроскопом.

Образцы для этих экспериментов изготовил Чепецкий механический завод, который входит в структуру ГК "Росатом", специализируясь в производстве металлов и сплавов для атомной промышленности. Был использован сплав Ti-45Nb, состоящий на 45% из ниобия. Образцы изготовлялись двух типов: с крупнозернистой (КЗ) структурой (средний размер кристаллического зерна 45 мкм), и с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой (0,2 мкм). УМЗ-структура была получена путем многократной трехмерной пластической деформации заготовок при определенном температурном режиме.

Рис. 2. Образец на испытательном стенде.

Испытания проводились на ультразвуковом резонансном стенде при частоте нагружения 20 кГц, что позволяло пройти 10⁹ циклов растяжения-сжатия за считанные часы.

Рис. 3. Зависимость числа циклов до разрушения от величины нагрузки. 1 – результаты испытаний образцов с КЗ-структурой, 2 – результаты для образцов с УМЗ-структурой.

Как видно на рис. 3, УМЗ-структура образцов сплава Ti-45Nb обеспечила увеличение предела выносливости при числе циклов10⁹ в 1,5 раза по сравнению с КЗ-структурой – 295 МПа против 195 МПа.

В процессе этих испытаний был опробован и способ исследования напряженно-деформированного состояния материала методом инфракрасной термографии.

Рис. 4. Тепловое поле образцов при испытаниях. Слева – нагрев образца с КЗ-структурой, справа – с УМЗ-структурой.

Очевидно, что нагрев образца при переменных нагрузках связан с распределением в нем деформаций и напряжений. Следовательно, по температурному полю можно составить представление о том, как "работает" материал при усталостном нагружении. Получившаяся картина видна на рис. 4. Видно, что образец сплава с УМЗ-структурой более эффективно рассеивает генерируемое тепло, вовлекая в этот процесс больший деформируемый объем по сравнению с КЗ-образцом. По сравнению с КЗ-структурой тепловое поле УМЗ-образца распределяется равномернее, не достигает столь высоких температур в "очаге" и стабилизируется без дальнейшего роста максимальной температуры, наглядно показывая, что УМЗ-сплав лучше выдерживает усталостную нагрузку.

Более подробная информация на сайте ИФПМ СО РАН и в статье Characteristic Features of Ultrafine-Grained Ti-45 wt.% Nb Alloy under High Cycle Fatigue // Materials. -2021. - Vol. 14 (18).

Подготовил Леонид Ситник. Редакция сайта РАН.