RU2785958C1 - Method for obtaining porous coating on products from monolithic titanium nickelide - Google Patents
Method for obtaining porous coating on products from monolithic titanium nickelide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2785958C1 RU2785958C1 RU2021137983A RU2021137983A RU2785958C1 RU 2785958 C1 RU2785958 C1 RU 2785958C1 RU 2021137983 A RU2021137983 A RU 2021137983A RU 2021137983 A RU2021137983 A RU 2021137983A RU 2785958 C1 RU2785958 C1 RU 2785958C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- monolithic
- coating
- porous
- powder
- titanium
- Prior art date
Links
- UIMGJWSPQNXYNK-UHFFFAOYSA-N azane;titanium Chemical compound N.[Ti] UIMGJWSPQNXYNK-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 25
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 238000005245 sintering Methods 0.000 abstract description 20
- 239000007943 implant Substances 0.000 abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 9
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 229910001000 nickel titanium Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- -1 nickel-titanium Chemical compound 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 14
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 5
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 4
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229940010415 CALCIUM HYDRIDE Drugs 0.000 description 2
- UUGAXJGDKREHIO-UHFFFAOYSA-N Calcium hydride Chemical compound [H-].[H-].[Ca+2] UUGAXJGDKREHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 2
- 239000012567 medical material Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 230000000930 thermomechanical Effects 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009851 ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000011068 load Methods 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии никелид-титановых сплавов и может быть использовано при изготовлении эндопротезов из монолитного материала с пористым покрытием.The invention relates to the metallurgy of nickel-titanium alloys and can be used in the manufacture of endoprostheses from a monolithic material with a porous coating.
Сплавы на основе никелида титана (TiNi) успешно используются при решении различных задач в науке и технике с момента открытия их уникальных свойств, в основе которых лежат мартенситные превращения. Особое развитие использования материалов на основе TiNi получило в медицинской практике благодаря высоким параметрам их биохимической совместимости, коррозионным свойствам и циклостойкости. Биомеханическая совместимость материала с тканями организма за счет реализации гистерезисного характера формоизменения под нагрузкой, делает сплав на основе никелида титана наиболее предпочтительным для создания имплантируемых конструкций [Гюнтер В.Э., Ходоренко В.Н., Чекалкин Т.Л. и др. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы. Медицинские материалы с памятью формы. Т. 1. Томск: Изд-во МИЦ, 2011. 534 с.].Alloys based on titanium nickelide (TiNi) have been successfully used in solving various problems in science and technology since the discovery of their unique properties, which are based on martensitic transformations. The use of materials based on TiNi has received special development in medical practice due to the high parameters of their biochemical compatibility, corrosion properties and cycle stability. The biomechanical compatibility of the material with the tissues of the body due to the implementation of the hysteresis nature of the deformation under load makes the alloy based on titanium nickelide the most preferable for creating implantable structures [Gunther V.E., Khodorenko V.N., Chekalkin T.L. and other Medical materials and implants with shape memory. Shape memory medical materials. T. 1. Tomsk: Izd-vo MITS, 2011. 534 p.].
Никелид-титановые имплантаты изготавливают как из монолитного материала, так и из пористого. Положительным свойством монолитного материала является высокая прочность, в то время как положительным свойством пористого - большая поверхность, способствующая эффективной интеграции с тканями. Оба этих преимущества объединяют монолитные имплантаты с пористой поверхностью. Пористая поверхность с развитой объемной структурой имплантата более предпочтительна для прикрепления клеток, их развития и жизнедеятельности окружающих биологических тканей при имплантации по сравнению с гладкой структурой поверхности.Nickel-titanium implants are made of both monolithic and porous materials. A positive property of a monolithic material is high strength, while a positive property of a porous material is a large surface area, which promotes effective integration with tissues. Both of these advantages are united by monolithic implants with a porous surface. A porous surface with a developed three-dimensional implant structure is more preferable for cell attachment, their development, and vital activity of surrounding biological tissues during implantation compared to a smooth surface structure.
Для получения пористой части используют в основном два способа: диффузионное и реакционное спекание. При диффузионном спекании применяют измельченный титан или никелид титана в виде гранул, проволоки или порошка. При реакционном спекании используют смесь порошков титана и никеля.To obtain a porous part, two methods are mainly used: diffusion and reaction sintering. Diffusion sintering uses crushed titanium or titanium nickelide in the form of granules, wire or powder. Reaction sintering uses a mixture of titanium and nickel powders.
К преимуществам диффузионного спекания относится постоянство концентрационного и фазового состава пористой части изделия. К недостаткам - высокая температура спекания, вызывающая рекристаллизацию спекаемых материалов. Высокая температура спекания необходима для получения качественных межчастичных контактов пористой части изделия, но в то же время воздействие высокой температуры ведет к разупрочнению, короблению и изменению размеров монолитных частей изделия.The advantages of diffusion sintering include the constancy of the concentration and phase composition of the porous part of the product. The disadvantages are the high sintering temperature, which causes recrystallization of the sintered materials. A high sintering temperature is necessary to obtain high-quality interparticle contacts of the porous part of the product, but at the same time, exposure to high temperature leads to softening, warping, and resizing of the monolithic parts of the product.
К преимуществам реакционного спекания относятся: высокая прочность пористой части изделия за счет качественных контактов между ее частицами и более прочная связь пористой части с монолитной частью. Меньшая, в сравнении с диффузионным спеканием, температура спекания позволяет в некоторой степени избежать разупрочнения и изменения размеров монолитных частей спекаемого изделия. К недостаткам реакционного спекания относятся: высокая фазовая неоднородность пористого продукта спекания и длительная выдержка, применяемая с целью уменьшения указанной фазовой неоднородности, но ведущая к разупрочнению монолитной части изделия. Недостатком является также избыток образующегося при спекании расплава, приводящий к излишней усадке и сглаживанию поверхности пористой части изделия.The advantages of reaction sintering include: high strength of the porous part of the product due to high-quality contacts between its particles and a stronger bond between the porous part and the monolithic part. Lower, in comparison with diffusion sintering, the sintering temperature makes it possible to some extent to avoid softening and changing the dimensions of the monolithic parts of the sintered product. The disadvantages of reactive sintering include: high phase inhomogeneity of the porous sintering product and long exposure, used to reduce the specified phase inhomogeneity, but leading to softening of the monolithic part of the product. The disadvantage is also an excess of the melt formed during sintering, leading to excessive shrinkage and smoothing of the surface of the porous part of the product.
Известен ряд способов получения пористого покрытия на изделиях из монолитного никелида титана, упомянутых в источниках [Митрофанова И.В., Артюхова Н.В., Ясенчук Ю.Ф. Структура и параметры эффекта памяти формы никелида титана, изготовленного диффузионным спеканием], [Дроздов И.А. Структурообразование никелида титана в процессе порошковой металлургии. Автореферат дис. на соиск … д. тех. наук.]. Общим для них является нанесение порошка никелида титана на монолитную заготовку и спекание в течение определенного времени при определенной температуре. Общим недостатком является высокая энергонапряженность процесса спекания, выраженная в большом времени выдержки при умеренных температурах или же в относительно меньшем времени выдержки, но при повышенных температурах. В любом случае монолитная часть испытывает тепловое воздействие, ведущее к снижению ее механической прочности или к деформации под действием внутренних напряжений.A number of methods are known for obtaining a porous coating on products made of monolithic titanium nickelide, mentioned in the sources [Mitrofanova I.V., Artyukhova N.V., Yasenchuk Yu.F. Structure and parameters of the shape memory effect of titanium nickelide produced by diffusion sintering], [Drozdov I.A. Structure formation of titanium nickelide in the process of powder metallurgy. Abstract dis. for the competition ... d. of those. Sciences.]. Common to them is the application of titanium nickelide powder to a monolithic workpiece and sintering for a certain time at a certain temperature. A common disadvantage is the high energy intensity of the sintering process, expressed in a long exposure time at moderate temperatures or in a relatively shorter exposure time, but at elevated temperatures. In any case, the monolithic part experiences a thermal effect, leading to a decrease in its mechanical strength or to deformation under the action of internal stresses.
Наиболее свободен от указанных недостатков способ получения пористого покрытия на изделиях из монолитного никелида титана по патенту [RU 2578888]. При его осуществлении в порошок никелида титана, наносимый на монолитную заготовку, добавляют смесь порошков титана и никеля, которые вступают в реакцию синтеза и локально в течение короткого времени повышают температуру в массе порошка, способствуя завершению процесса спекания. За это время монолитная основа не успевает нагреться и не испытывает отрицательных последствий перегрева.The most free from these disadvantages is the method of obtaining a porous coating on products from monolithic titanium nickelide according to the patent [RU 2578888]. In its implementation, a mixture of titanium and nickel powders is added to titanium nickelide powder applied to a monolithic workpiece, which enter into a synthesis reaction and locally increase the temperature in the powder mass for a short time, contributing to the completion of the sintering process. During this time, the monolithic base does not have time to heat up and does not experience the negative effects of overheating.
Однако приведенный известный способ не свободен от недостатков. Присущий известному способу недостаток является довольно общим для всех способов реакционного и диффузионного спекания. Он состоит в том, что формирующийся пористый материал, помимо основной фазы TiNi, содержит ряд включений других фаз, преимущественно Ti2Ni, TiNi3, Ti3Ni4, различающихся по температуре кристаллизации, а также комплекс частиц оксикарбонитридов Ti4Ni2(O,N,C), образующихся на поверхности за счет остаточных примесей газов в реакционном объеме. Отличаясь по термомеханическим характеристикам от никелид-титановой матрицы, частицы Ti2Ni и оксикарбонитридов при механических деформациях и тепловых воздействиях на изделия испытывают повышенные напряжения. Вследствие этого, поверхностные слои пористого материала склонны к разрушению и утрате антикоррозионных свойств. Повышение коррозионной стойкости обычно достигается диспергированием включений побочных металлических фаз и гомогенизацией слоя с тем, чтобы их деформация совместно с основой не превышала порога разрушения. Как правило, для этого применяют дополнительный нагрев изделия. Однако дополнительный нагрев, как упоминалось выше, опасен и приводит к снижению механической прочности монолитной части изделия.However, the above known method is not free from disadvantages. The inherent disadvantage of the known method is quite common for all methods of reaction and diffusion sintering. It consists in the fact that, in addition to the main TiNi phase, the formed porous material contains a number of inclusions of other phases, mainly Ti 2 Ni, TiNi 3 , Ti 3 Ni 4 , differing in crystallization temperature, as well as a complex of Ti 4 Ni 2 (O ,N,C) formed on the surface due to residual gas impurities in the reaction volume. Differing in thermomechanical characteristics from the nickelide-titanium matrix, the particles of Ti 2 Ni and oxycarbonitrides experience increased stresses during mechanical deformations and thermal effects on the products. As a result, the surface layers of the porous material are prone to destruction and loss of anti-corrosion properties. An increase in corrosion resistance is usually achieved by dispersing inclusions of secondary metal phases and homogenizing the layer so that their deformation, together with the base, does not exceed the destruction threshold. As a rule, additional heating of the product is used for this. However, additional heating, as mentioned above, is dangerous and leads to a decrease in the mechanical strength of the monolithic part of the product.
Задача изобретения - диспергирование включений побочных металлических фаз и гомогенизация поверхностного слоя, обогащенного ими, без снижения термомеханических характеристик монолитной основы.The objective of the invention is the dispersion of inclusions of secondary metal phases and the homogenization of the surface layer enriched with them, without reducing the thermomechanical characteristics of the monolithic base.
Технический результат изобретения - повышение коррозионной стойкости пористого покрытия имплантата при функционировании в организме пациента.The technical result of the invention is to increase the corrosion resistance of the porous coating of the implant during operation in the patient's body.
Технический результат достигается при осуществлении способа получения пористого покрытия на изделиях из монолитного никелида титана путем напекания на него никелид-титанового порошка. Для покрытия используют порошок с размерами зерен в интервале 100-140 мкм, напекание проводят при температуре 1200±20°С в течение 15±2 минут, после чего на получаемое покрытие воздействуют низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП) с энергией электронов 20-30 кэВ, плотностью энергии 3-6 Дж/см2, воздействие производят импульсами длительностью 2-4 мкс при общем количестве импульсов 20-30.The technical result is achieved by implementing a method for obtaining a porous coating on products from monolithic titanium nickelide by baking nickelide-titanium powder on it. Powder with grain sizes in the range of 100-140 µm is used for coating, baking is carried out at a temperature of 1200±20°C for 15±2 minutes, after which the resulting coating is exposed to a low-energy high-current electron beam (LSEB) with an electron energy of 20-30 keV , energy density of 3-6 J/cm 2 , the impact is produced by pulses with a duration of 2-4 μs with a total number of pulses of 20-30.
Значимость признаков для достижения результата. Технический результат достигается за счет сглаживания поверхности покрытия электронным пучком с сохранением нижележащей пористой структуры. Напекание порошка никелида титана в заявленных временных и температурных интервалах обеспечивает достаточную степень сцепления частиц с монолитной основой и между собой, не влияя на прочность монолитной основы. Воздействие электронного пучка с заявленными характеристиками вызывает подплавление наружного слоя и его реструктуризацию, характеризуемую гомогенизацией с растворением частиц вторичных фаз Ti2Ni и Ti4Ni2(O,N,C), отвечающих за хрупкость. Вместе с тем, благодаря малой проникающей способности электронов, внутренняя мелкопористая структура, обусловленная формой частиц исходного порошка, спеченных с монолитной основой, сохраняется неизменной, обеспечивая биосовместимые свойства имплантата в целом. Модификация поверхности под действием электронного пучка происходит на глубину 20-25 мкм. Благодаря выбору размеров зерен порошка в пределах 100-140 мкм вся нижележащая часть пористого массива остается в ходе обработки интактной и в полной мере проявляет свойства смачиваемости и биосовместимости, присущие пористым имплантатам из никелида титана. Диапазоны изменения параметров температуры и времени спекания установлены экспериментально, разброс связан с конечным временем осуществления манипуляций. Новизна технического решения состоит в применении электронно-пучковой технологии для поверхностной модификации пористой структуры, в сочетании параметров процесса напекания порошкового покрытия и электронно-пучкового воздействия, во взаимосвязи последнего с улучшением антикоррозионных свойств имплантата. Аналогичные работы по электронно-пучковой модификации поверхности проводились только на монолитных материалах [Мейснер Л.Л. и др. Особенности изменения структуры фазы В2 в поверхностном слое никелида титана после импульсного электронно-пучкового воздействия. Известия ВУЗ. Черная металлургия, №8, 2014. с. 60-65]. Для пористого материала режимы обработки существенно отличаются ввиду особенностей теплопередачи и теплоемкости, в связи, с чем была проведена оптимизация режимов.Significance of features to achieve the result. The technical result is achieved by smoothing the coating surface with an electron beam while maintaining the underlying porous structure. Sintering titanium nickelide powder in the stated time and temperature ranges provides a sufficient degree of adhesion of the particles to the monolithic base and to each other, without affecting the strength of the monolithic base. The impact of an electron beam with the stated characteristics causes the melting of the outer layer and its restructuring, characterized by homogenization with the dissolution of particles of secondary phases Ti 2 Ni and Ti 4 Ni 2 (O,N,C), responsible for brittleness. At the same time, due to the low penetrating power of electrons, the internal finely porous structure, due to the shape of the initial powder particles sintered with a monolithic base, remains unchanged, ensuring the biocompatible properties of the implant as a whole. Surface modification under the action of an electron beam occurs to a depth of 20–25 µm. Due to the choice of powder grain sizes in the range of 100–140 μm, the entire underlying part of the porous array remains intact during processing and fully exhibits the wettability and biocompatibility properties inherent in porous titanium nickelide implants. The ranges of temperature and sintering time parameters have been established experimentally, the spread is related to the finite time of manipulations. The novelty of the technical solution lies in the use of electron-beam technology for surface modification of the porous structure, in combination with the parameters of the powder coating baking process and electron-beam exposure, in conjunction with the improvement of the anti-corrosion properties of the implant. Similar work on electron-beam modification of the surface was carried out only on monolithic materials [Meisner L.L. and other Features of the change in the structure of the B2 phase in the surface layer of titanium nickelide after pulsed electron-beam exposure. Izvestiya VUZ. Ferrous metallurgy, No. 8, 2014. p. 60-65]. For a porous material, the processing modes differ significantly due to the characteristics of heat transfer and heat capacity, and therefore the optimization of the modes was carried out.
Изобретение поясняется иллюстрациями фиг. 1-3.The invention is illustrated by the illustrations of Fig. 1-3.
На фиг. 1 приведен снимок поперечного сечения имплантата с пористым поверхностным слоем, сформированным путем напекания порошка. Форма частиц порошка сохранена, видны места слияния частиц с монолитной поверхностью и между собой.In FIG. 1 shows a cross-sectional photograph of an implant with a porous surface layer formed by powder baking. The shape of the powder particles is preserved, the places where the particles merge with a monolithic surface and between themselves are visible.
На фиг. 2 приведены укрупненные снимки поверхности пористого покрытия до электронно-пучковой обработки (а), видны включения масштаба 1-5 мкм, и после электронно-пучковой обработки (б), поверхность гомогенизирована.In FIG. Figure 2 shows enlarged images of the surface of the porous coating before electron beam processing (a), inclusions of 1-5 μm are visible, and after electron beam processing (b), the surface is homogenized.
На фиг. 3 приведен вид отдельной частицы после обработки, заметно, что выступающая часть подплавлена, фрагмент оксикарбонитридного включения надломлен и притоплен по направлению к основанию (показано стрелкой), что демонстрирует дефрагментацию и сглаживание поверхностного слоя.In FIG. Figure 3 shows a view of a separate particle after processing, it is noticeable that the protruding part is melted, the fragment of the oxycarbonitride inclusion is broken and melted towards the base (shown by an arrow), which demonstrates defragmentation and smoothing of the surface layer.
Пример реализации заявленного способа.An example of the implementation of the claimed method.
Пористое покрытие на изделиях из никелида титана формировали с использованием порошкового сплава TiNi марки ПВ-Н55Т45, получаемого методом гидридно-кальциевого восстановления. Размер частиц порошка находится в интервале 100-140 мкм, что соответствует оптимуму для создания необходимой структуры при заселении клеточными культурами. Режим электронно-пучковой обработки был подобран так, чтобы обеспечить глубину проникновения до 25 мкм и тем самым сохранить развитую структуру пор в глубине порошкового слоя.A porous coating on articles made of titanium nickelide was formed using a TiNi powder alloy grade PV-N55T45 obtained by calcium hydride reduction. The particle size of the powder is in the range of 100-140 microns, which corresponds to the optimum for creating the necessary structure when populating with cell cultures. The mode of electron-beam processing was chosen so as to provide a penetration depth of up to 25 μm and thereby maintain a developed pore structure in the depth of the powder layer.
Электронно-пучковую обработку проводили на установке РИТМ-СП (ООО Микросплав, г. Томск) [Markov А.В. et al. А РИТМ-СП facility for the surface alloying. Instruments and Experimental Techniques, 2011, Vol. 54, No. 6, pp. 862 866]. В состав установки входит источник низкоэнергетических (10-30 кэВ сильноточных (до 25 кА) электронных пучков (НСЭП) с длительностью импульса 2-4 мкс и диаметром пучка до 80 мм.Electron-beam processing was carried out on the RITM-SP installation (Microsplav LLC, Tomsk) [Markov A.V. et al. A RITM-SP facility for the surface alloying. Instruments and Experimental Techniques, 2011, Vol. 54, no. 6, pp. 862 866]. The facility includes a source of low-energy (10-30 keV high-current (up to 25 kA) electron beams (LSEB) with a pulse duration of 2-4 μs and a beam diameter of up to 80 mm.
Заготовки для получения пористого покрытия представляли собой монолитные пластины, покрываемые однородным слоем порошкового сплава TiNi. Заготовку с порошком нагревали в электровакуумной печи СНВЭ-1.31/16-И4 до температуры 1200°С при времени выдержки 15 мин. В процессе нагрева между частицами порошка формировались межчастичные контакты (фиг. 1), достаточные для того, чтобы исключить их перемещение под действием электронно-пучковой обработки. Электронно-пучковую обработку проводили при энергии электронов в пределах 20-30 кэВ, сечение пучка составляло 80 мм, величина тока в импульсе 25 кА, при этом плотность энергии 3-6 Дж/см2, количество импульсов обработки равно 20-30. Длительность импульсов воздействия НСЭП составляла 2 4 мкс. Интенсивность и количество импульсов электронно-пучкового воздействия для заданной глубины обработки определяли экспериментально.The workpieces for obtaining a porous coating were monolithic plates coated with a uniform layer of TiNi powder alloy. The workpiece with the powder was heated in an SNVE-1.31/16-I4 electric vacuum furnace to a temperature of 1200°C with a holding time of 15 min. During heating, interparticle contacts were formed between the powder particles (Fig. 1), sufficient to exclude their movement under the action of electron beam processing. Electron-beam processing was carried out at an electron energy in the range of 20-30 keV, the beam cross section was 80 mm, the current per pulse was 25 kA, while the energy density was 3-6 J/cm2, the number of processing pulses was 20-30. The duration of the NSEP action pulses was 2 4 μs. The intensity and number of pulses of electron-beam exposure for a given depth of processing was determined experimentally.
Исследована структура поверхности экспериментальных образцов, а также структура поперечного сечения металлографических образцов, полученных по стандартной методике. Изучение макро- и микроструктуры проводили методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе Quanta 200 3D в режиме вторичных электронов при ускоряющих напряжениях 20-30 кВ. Концентрационный состав фаз определяли с помощью энергодисперсионного спектрометра EDAX ECON IV в составе растрового электронного микроскопа.The structure of the surface of the experimental samples, as well as the structure of the cross section of the metallographic samples obtained by the standard method, has been studied. The study of the macro- and microstructure was carried out by scanning electron microscopy (SEM) on a Quanta 200 3D microscope in the secondary electron mode at accelerating voltages of 20–30 kV. The concentration composition of the phases was determined using an EDAX ECON IV energy dispersive spectrometer as part of a scanning electron microscope.
В результате экспериментов установлено, что электронно-пучковая обработка порошкового сплава на основе никелида титана, полученного методом гидридно-кальциевого восстановления, приводит к формированию более однородной структуры поверхности материала по сравнению с исходной макро- и микроструктурой (фиг. 2). Отмечается изменение морфологии поверхности отдельных частиц порошка, что выражается в сглаживании рельефа поверхности и залечивании макродефектов (поры, трещины) на их поверхности. Под действием высокой плотности энергии пучка происходит образование расплава на поверхности частиц порошка, площадь межчастичных контактов увеличивается и после охлаждения формируются новые поверхности перекристаллизованного слоя. В объеме пористого образца участки с выпуклой структурой сглаживаются (фиг. 3), а с вогнутой укрупняются, мелкие поры в структуре губчатых частиц порошка залечиваются.As a result of the experiments, it was found that electron-beam processing of a powder alloy based on titanium nickelide, obtained by calcium hydride reduction, leads to the formation of a more uniform structure of the material surface compared to the initial macro- and microstructure (Fig. 2). A change in the surface morphology of individual powder particles is noted, which is expressed in smoothing the surface relief and healing of macrodefects (pores, cracks) on their surface. Under the action of a high energy density of the beam, a melt is formed on the surface of the powder particles, the area of interparticle contacts increases, and after cooling, new surfaces of the recrystallized layer are formed. In the volume of the porous sample, the areas with a convex structure are smoothed out (Fig. 3), and with a concave one they become larger, small pores in the structure of spongy powder particles are healed.
Таким образом, предложенный способ получения пористого покрытия на изделиях из никелида титана позволяет улучшить коррозионные свойства материала за счет растворения в процессе перекристаллизации частиц вторичных фаз Ti2Ni и Ti4Ni2(O,N,C), являющихся основным источником коррозии при знакопеременных нагрузках в агрессивных средах, к которым в том числе относятся тканевые жидкости организма человека.Thus, the proposed method for obtaining a porous coating on products made of titanium nickelide makes it possible to improve the corrosion properties of the material due to the dissolution of particles of secondary phases Ti 2 Ni and Ti4Ni 2 (O,N,C) during recrystallization, which are the main source of corrosion under alternating loads in aggressive media, including tissue fluids of the human body.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2785958C1 true RU2785958C1 (en) | 2022-12-15 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2739583B1 (en) * | 1995-10-04 | 1997-12-12 | Snecma | METHOD FOR REACTIVE SINTERING OF INTERMETALLIC MATERIAL PARTS AND DERIVATIVE APPLICATIONS |
| RU2465016C1 (en) * | 2011-05-04 | 2012-10-27 | Виктор Эдуардович Гюнтер | Method of producing composite material from titanium nickelide-based alloys |
| RU2578888C1 (en) * | 2014-09-29 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Charge for sintering porous part on solid part of implant made from titanium nickelide |
| RU2632047C1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-10-02 | Общество с ограниченной ответственностью "МЕТСИНТЕЗ" | METHOD FOR PRODUCING POWDER ALLOY TiNi WITH HIGH LEVEL OF MECHANICAL PROPERTIES |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2739583B1 (en) * | 1995-10-04 | 1997-12-12 | Snecma | METHOD FOR REACTIVE SINTERING OF INTERMETALLIC MATERIAL PARTS AND DERIVATIVE APPLICATIONS |
| RU2465016C1 (en) * | 2011-05-04 | 2012-10-27 | Виктор Эдуардович Гюнтер | Method of producing composite material from titanium nickelide-based alloys |
| RU2578888C1 (en) * | 2014-09-29 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Charge for sintering porous part on solid part of implant made from titanium nickelide |
| RU2632047C1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-10-02 | Общество с ограниченной ответственностью "МЕТСИНТЕЗ" | METHOD FOR PRODUCING POWDER ALLOY TiNi WITH HIGH LEVEL OF MECHANICAL PROPERTIES |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chung Ng et al. | Fabrication of magnesium using selective laser melting technique | |
| Esen et al. | Titanium–magnesium based composites: mechanical properties and in-vitro corrosion response in Ringer's solution | |
| Yamanoglu et al. | Production of porous Ti5Al2. 5Fe alloy via pressureless spark plasma sintering | |
| Lara Rodriguez et al. | Plasma electrolytic oxidation coatings on γTiAl alloy for potential biomedical applications | |
| Jeong et al. | Hydroxyapatite thin film coatings on nanotube-formed Ti–35Nb–10Zr alloys after femtosecond laser texturing | |
| Neurohr et al. | Shape-memory NiTi with two-dimensional networks of micro-channels | |
| Jang et al. | Multiscale porous titanium surfaces via a two-step etching process for improved mechanical and biological performance | |
| Braem et al. | Bioactive glass–ceramic coated titanium implants prepared by electrophoretic deposition | |
| Joguet et al. | Porosity content control of CoCrMo and titanium parts by Taguchi method applied to selective laser melting process parameter | |
| Wu et al. | Surface characteristics, mechanical properties, and cytocompatibility of oxygen plasma‐implanted porous nickel titanium shape memory alloy | |
| Sergey et al. | Fabrication and study of double sintered TiNi-based porous alloys | |
| Kutty et al. | Gradient surface porosity in titanium dental implants: relation between processing parameters and microstructure | |
| Niespodziana et al. | The synthesis of titanium alloys for biomedical applications | |
| Saadati et al. | Fabrication of porous NiTi biomedical alloy by SHS method | |
| Micheletti et al. | Ti–5Al–5Mo–5V–3Cr bone implants with dual-scale topography: a promising alternative to Ti–6Al–4V | |
| Bhushan et al. | Fabrication and characterization of a new range of β-type Ti-Nb-Ta-Zr-xHaP (x= 0, 10) alloy by mechanical alloying and spark plasma sintering for biomedical applications | |
| RU2785958C1 (en) | Method for obtaining porous coating on products from monolithic titanium nickelide | |
| Suntharavel Muthaiah et al. | Electrophoretic deposition of nanocrystalline calcium phosphate coating for augmenting bioactivity of additively manufactured Ti-6Al-4V | |
| Kuroda et al. | Influence of Zr addition in β Ti-25Ta-xZr alloys on oxide formation by MAO-treatment | |
| Wang et al. | Progress in partially degradable titanium-magnesium composites used as biomedical implants | |
| Marchenko et al. | Electrolyte exposure time effects on structure, composition and biocompatibility of microarc oxidation coatings on Mg-Ca-Zn alloys | |
| Abdullah et al. | Effect of current density on anodised titanium in mixture of β-glycerophosphate (β-GP) and calcium acetate (CA) | |
| Sheveyko et al. | Structural transformations in TiC-CaO-Ti3PO (x)-(Ag2Ca) electrodes and biocompatible TiCaPCO (N)-(Ag) coatings during pulsed electrospark deposition | |
| Ohtsu et al. | Selectable surface nitridation of titanium using focused pulsed Nd: YAG laser irradiation with nitrogen gas blow | |
| Man et al. | Laser fabrication of porous surface layer on NiTi shape memory alloy |