Сплав на основе титана
Владельцы патента RU 2293135:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых для изготовления различных деталей и конструкций, в том числе для медицинского оборудования, инструментов и деталей, применяемых в травматологии и ортопедии. Задачей изобретения является создание сплава, обладающего повышенной пластичностью. Предложен сплав на основе титана, содержащий мас.%: алюминий 4,7-6,3; ниобий 0,4-0,8; молибден 1,5-2,5; цирконий 0,5-1,5; углерод 0,06-0,12; кислород 0,08-0,14; титан остальное. При этом суммарное содержание кислорода углерода должно быть меньше или равно 0,22. Сплав предназначен для использования в медицине и других отраслях промышленности. Технический результат - создание сплава, обладающего высокой пластичностью и прочностью. 2 табл.
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых для изготовления различных деталей и конструкций, в том числе для медицинского оборудования, инструментов и деталей, применяемых в ортопедии и травмотологии. Известен сплав, используемый для изготовления деталей-эндопротезов и имплантантов, содержащий мас.%: алюминий 5,5÷6,75; ванадий 3,5÷4,5; титан - остальное по ASTM F 136-92.
Этот сплав зарегистрирован международным стандартом ISO 5832-2 "Имплантанты для хирургии. Металлические материалы. Часть 3". Недостатком этого сплава является то, что ванадий, входящий в этот сплав, характеризуется потенциальной токсичностью.
Наиболее близким по технической сущности является сплав на основе титана (прототип), содержащий мас.%: алюминий 5,0÷6,5; ниобий 6,5÷7,5; тантал 0,1÷0,5; молибден 0,2÷1,5; титан - остальное (RU 42103405, 27.01.1998, С 22 С 14/00).
Недостатком этого сплава являются низкие пластические свойства и высокая стоимость производства. Содержание ниобия в сплаве в мас.% 6,5÷7,5. Стоимость ниобия составляет 4125÷5800 руб./кг.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сплава, обладающего высокой пластичностью с характеристиками прочности на уровне сплава-прототипа и экономически более выгодного, чем известный. Сплав не содержит компонентов, несовместимых с живыми тканями человека.
Технический результат достигается за счет того, что в сплав, содержащий алюминий, молибден и ниобий, дополнительно введены цирконий, кислород и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Алюминий | 4,7÷6,3 |
| Ниобий | 0,4÷0,8 |
| Молибден | 1,5÷2,5 |
| Цирконий | 0,5÷1,5 |
| Углерод | 0,06÷0,12 |
| Кислород | 0,08÷0,14 |
| Титан | остальное |
При этом суммарное содержание кислорода и углерода должно быть меньше или равно 0,22.
По сравнению с аналогом в сплаве в 10 раз снижено содержание ниобия, что значительно удешевляет стоимость металлургического производства, и дополнительно введен цирконий, который относится к переходным элементам, является непосредственным аналогом титана и имеет электронное строение с незаполненной d-оболочкой. Металлохимические свойства титана и циркония близки, что приводит к повышению пластичности без снижения остальных характеристик; при содержании циркония более 2,0% пластичность снижается на 30% (С.Г.Глазунов, В.Н.Моисеев Конструкционные титановые сплавы. М., Металлургия, 1974 г., стр.227).
Выбранное соотношение кислорода и углерода в пределах С+О2≤0.22 обеспечивает сохранение высокой прочности и пластичности. При увеличении содержания кислорода и углерода снижается термическая стабильность сплава и увеличивается склонность к коррозионному воздействию. Кислород и углерод являются сильными упрочнителями, соответственно снижается пластичность и вязкость сплавов (И.В.Горынин, Б.Б.Чечулин. Титан в машиностроении. М., Металлургия, 1990 г., стр.151).
Опытный металл изготовлен в виде слитков вакуумно-дугового переплава. Размер слитков ⊘ 185×160 мм.
В качестве шихтовых материалов использовались титановая губка ТГ-90 м, лигатура АМНТУ, лигатура АМТ, лигатура АНК. Состав предлагаемого и известного сплавов и их механические свойства приведены в Таблицах 1 и 2. Значения механических свойств приведены по результатам испытаний трех образцов на точку.
| Таблица 1. | ||||||||||
| Химический состав предлагаемого и известного сплавов на основе титана. | ||||||||||
| Сплав | Состав | Содержание компонентов, мас.% | ||||||||
| Al | Nb | Мо | Zr | Та | O2 | С | O2+С | Ti | ||
| Предлагаемый | 1 | 4,7 | 0,8 | 2,23 | 0,5 | - | 0,08 | 0,12 | 0,20 | Остальное |
| 2 | 6,16 | 0,4 | 2,5 | 1,5 | - | 0,10 | 0,10 | 0,20 | То же | |
| 3 | 6,3 | 0,6 | 1,5 | 0,99 | - | 0,14 | 0,06 | 0,22 | То же | |
| Известный | 5,8 | 7,0 | 0,8 | - | 0,3 | - | - | - | То же | |
| Таблица 2. | ||||||||||
| Механические свойства предлагаемого и известного сплавов на основе титана. | ||||||||||
| Сплав | Состав | Временное сопротивление, МПа | Предел текучести, МПа | Относительное удлинение, % | KCU, кгсм/см 2 | |||||
| Предлагаемый | 1 | 1034 | 985 | 15,0 | 9,8 | |||||
| 2 | 1042 | 991 | 16,0 | 10,0 | ||||||
| 3 | 1047 | 996 | 16,4 | 8,5 | ||||||
| Известный | 937 | 817 | 9,8 | 6,6 |
Как видно из таблицы 2, результаты испытаний подтверждают, что предлагаемый состав сплава на основе титана превосходит известный по показателям механических характеристик. Ожидаемый экономический эффект выразится в снижении себестоимости изделий примерно в 20 раз.
Сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, ниобий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, кислород и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Алюминий | 4,7-6,3 |
| Ниобий | 0,4-0,8 |
| Молибден | 1,5-2,5 |
| Цирконий | 0,5-1,5 |
| Углерод | 0,06-0,12 |
| Кислород | 0,08-0,14 |
| Титан | Остальное |
при этом суммарное содержание кислорода и углерода должно быть менее или равно 0,22.
