Пористый сплав на основе никелида титана и способ его получения

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пористого сплава на основе никелида титана методом СВС. Может применяться в медицинской технике, например, для криоаппликаторов, а также для изготовления имплантантов. Пористый сплав на основе никелида титана имеет объемный коэффициент пористости, неоднородно распределенный в радиальном направлении. Сплав получен методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из сформованной в цилиндрической оправке шихты. Полученный сплав позволяет упростить изготовление устройств из сплава с пространственной неоднородностью структуры, а также расширить функциональные возможности сплава. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к технологии получения пористых металлических материалов. Одна из важных отраслей их применения - медицинская техника, где широко используется пористый сплав на основе никелида титана. Он обладает высокой биосовместимостью как в силу химической инертности, так и в силу сходства с живыми тканями по механическим свойствам. Имплантатами из пористого никелида титана эффективно заменяют костные дефекты. Кроме того, в медицинской технике большое распространение получили методы лечения новообразований с помощью криоаппликаторов из пористого никелида титана. Сфера применения пористого сплава на основе никелида титана непрерывно расширяется, вызывая появление все новых задач в области технологии получения самого сплава.

Известен пористый сплав на основе никелида титана, получаемый по методу самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы / Гюнтер В.Э., Дамбасв Г.Ц., Сысолятин П.Г. и др. Томск, изд-во Том. ун-та, 1998. 486 с.]. Суть метода состоит в том, что смесь металлических порошков формуют в цилиндрической оправке, после чего подогревают со стороны открытого конца до начала экзотермической реакции. В ходе реакции образуется композитный материал, содержащий твердую (металлическую) и газообразную (воздушную) фазы. В известных литературных источниках микроструктура данной композиции характеризуется объемным коэффициентом пористости, а макроструктура представляется однородной.

Указанная однородность структуры иногда является недостатком известного сплава. Целый ряд его применений связан с искусственно организуемой пространственной неоднородностью, что достигается соединением отдельно выполненных фрагментов, обладающих различным объемным коэффициентом пористости. Примером служат имплантаты, замещающие костные фрагменты. Области с различным объемным коэффициентом пористости обеспечивают различные свойства: с низкой пористостью - высокую прочность, с высокой пористостью - быструю приживляемость и прорастание тканями. Так, для ребер замещающий имплантат предпочтительно должен иметь менее пористую, т.е. более прочную внутреннюю часть и более пористую периферию, аналог - пакет из трех пластин [Имплантаты с памятью формы в травматологии и ортопедии / Ланшаков В.А., Гюнтер В.Э., Плоткин Г.Л. и др. - Томск: ИПФ; Изд-во НТЛ, 2004, с. 148]. Для замещения трубчатых костей предпочтителен имплантат с плотной наружной частью и пористой внутренней, допускающей прорастание костной ткани, аналог -пористая муфта [Имплантаты с памятью формы в травматологии и ортопедии / Ланшаков В.А., Гюнтер В.Э., Плоткин Г.Л. и др. - Томск: ИПФ; Изд-во НТЛ, 2004, с. 125-126]. Для пястных и плюсневых костей предпочтительны имплантаты с прочной внутренней частью и пористой внешней, аналог - однородно-пористый имплантат, пронизанный сплошной спицей [Имплантаты с памятью формы в травматологии и ортопедии / Ланшаков В.А., Гюнтер В.Э., Плоткин Г.Л. и др. - Томск: ИПФ; Изд-во НТЛ, 2004, с. 145-146]. Широкое распространение в медицинской практике получили криоаппликаторы из пористого никелида титана, применяемые для лечения новообразований в носоглотке [А.с. 1616628 СССР, МКИ А61В 17/36. Криогенный аппликатор / Малеткина Т.Ю., Староха А.В., Гюнтер В.Э., Сысолятин П.Г., Котенко В.В., Пархоменко Г.С., Миргазизов М.З., Зиганьшин Р.В., Попович В.И.], профилактики стенозирования трахеи [Патент РФ №2221515. Устройство для хирургического лечения стеноза трахеи / Дамбаев Г.Ц., Соколович Е.Г., Гюнтер В.Э. и др.] и лечения гемангиом [Гемангиомы / Мельник Д.Д., Гюнтер В.Э., Дамбаев Г.Ц. и др. - Томск: STT, 2001. 178 с.]. Для повышения продолжительности криовоздействия тело аппликатора выполняют из материала с повышенной пористостью, вместе с тем, для исключения стекания хладоагента поверхностный слой выполняют из материала с пониженной пористостью. Во многих случаях даже небольшое увеличение длительности удержания хладоагента имеет ключевое значение, так как основное время расходуется на подведение аппликатора к труднодоступному месту (трахея, носоглотка и т.п.).

Приведенные примеры демонстрируют объективную потребность в создании пористого сплава на основе никелида титана, обладающего неоднородной пространственной структурой.

В связи с отсутствием сведений о пористом сплаве, намеренно синтезируемом с искусственно заданной пространственной неоднородностью структуры, а также о целенаправленных действиях, обеспечивающих заданную пространственную неоднородность распределения объемного коэффициента пористости, прототипом предлагаемого изобретения выбран известный сплав на основе никелида титана, получаемый методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из шихты, формуемой в цилиндрической оправке [Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы / Гюнтер В.Э., Дамбаев Г.Ц., Сысолятин П.Г. и др. Томск, изд-во Том. ун-та, 1998, с.460-463]. К недостаткам данного сплава относятся ограниченные функциональные возможности и сложность изготовления устройств с пространственной неоднородностью структуры.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, состоит в расширении функциональных возможностей и повышении простоты изготовления устройств из пористого сплава на основе никелида титана с пространственной неоднородностью структуры.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый пористый сплав на основе никелида титана, получаемый методом СВС из шихты, формуемой в цилиндрической оправке, имеет объемный коэффициент пористости, неоднородно распределенный в радиальном направлении, что достигается дополнительным уплотнением шихты при формовке. Для соответствия различным задачам из области хирургии имплантатов и криотерапии указанная неоднородность реализуется различным образом, причем используются различные технические способы ее реализации:

- коэффициент пористости увеличивается в направлении от оси к периферии, при этом проводят дополнительное уплотнение шихты в области оси;

- коэффициент пористости уменьшается в направлении от оси к периферии, при этом проводят дополнительное уплотнение в периферийной области путем вращения оправки с шихтой со скоростью 60...3000 об/мин;

- коэффициент пористости максимален в промежутке между осевой и периферийной областями, при этом одновременно проводят дополнительное уплотнение шихты в области оси и в периферийной области путем вращения оправки с шихтой со скоростью 60...3000 об/мин.

На иллюстрациях представлено:

Фиг.1 - продольный срез образца пористого сплава на основе никелида титана с объемным коэффициентом пористости, увеличивающимся в направлении от оси к периферии.

Фиг.2 - продольный срез образца пористого сплава на основе никелида титана с объемным коэффициентом пористости, уменьшающимся в направлении от оси к периферии.

Фиг.3 - продольный срез образца пористого сплава на основе никелида титана с объемным коэффициентом пористости, максимальным в промежутке между осевой и периферийной областями.

Объемный коэффициент пористости сплава на основе никелида титана определяется рядом факторов [Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы / Гюнтер В.Э., Дамбаев Г.Ц., Сысолятин П.Г. и др. Томск, изд-во Том. ун-та, 1998, с.460-463], важнейшим из которых является степень уплотнения шихты. Вариации режимов уплотнения позволяют получить сплав с объемным коэффициентом пористости (то есть содержанием воздушной фазы) от 40% до 95%, при этом соответственно содержание металлической фазы в композиции варьируется от 60% до 5%. В первом случае пористый сплав по механическим свойствам приближается к монолитной кости, во втором случае - к проницаемой губке.

Методика создания в одном формуемом образце областей с различной степенью уплотнения выработана экспериментально, а возможность ее реализации подтверждается приводимыми иллюстрациями.

Дополнительное уплотнение шихты в области оси достигается периодическим приложением усилия (постукиванием) при помощи цилиндрического толкателя с диаметром, меньшим, чем диаметр оправки. Допустимая величина усилия ограничивается сыпучестью порошковой шихты и не превышает предела, при котором порошок вытесняется в периферийную область.

Дополнительное уплотнение шихты в периферийной области достигается путем вращения оправки за счет возникающей при этом центробежной силы. Допустимая величина центробежной силы также ограничивается сыпучестью порошковой шихты. Пределы изменения угловой скорости от 60 до 3000 об/мин установлены экспериментально. Нижний предел связан с отсутствием заметного эффекта уплотнения, верхний - визуально наблюдаемым вытеснением порошка к периферии.

Применение в ходе формовки шихты дополнительного уплотнения в области оси, или периферии, или сочетание того и другого обеспечивают получение пористого сплава на основе никелида титана с различным характером радиальной неоднородности распределения объемного коэффициента пористости.

В свою очередь, радиальная неоднородность объемного коэффициента пористости обеспечивает замену сборочных составов, выполняемых из различных заготовок, деталями, выполняемыми из единой заготовки. Такая замена ввиду сложности механической обработки пористого материала существенно упрощает изготовление устройств из пористого сплава на основе никелида титана.

Расширение функциональных возможностей обусловлено тем, что одномоментно полученный образец пространственно неоднородного сплава допускает применение, недостижимое для пространственно однородного сплава. Кроме того, расширение функциональных возможностей связано также и с тем, что возможно выявление новых применений заявляемого сплава.

Таким образом, сочетание заявленных признаков обеспечивает реализацию целей изобретения.

Пористый сплав на основе никелида титана представляет собой композитный материал, получаемый методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из шихты, формуемой в металлической оправке. Отличительным признаком завляемого сплава является неоднородное распределение объемного коэффициента пористости в радиальном направлении. Указанный коэффициент увеличивается в направлении от оси к периферии или уменьшается в направлении от оси к периферии или максимален в промежутке между осевой и периферийной областями.

Способ получения пористого сплава на основе никелида титана включает формовку шихты в цилиндрической оправке и проведение реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Отличительным признаком заявляемого способа являются дополнительные действия при формовке шихты, состоящие в следующем.

Для получения образца с увеличенной пористостью на периферии шихту дополнительно уплотняют в области оси. На фиг.1 приведена фотография продольного среза образца с увеличенной пористостью на периферии.

Для получения образца с увеличенной пористостью в области оси оправку с шихтой вращают со скоростью от 60 до 3000 об/мин. Продолжительность вращения устанавливается экспериментально и составляет 1-2 мин. На фиг.2 приведена фотография продольного среза образца с увеличенной пористостью в области оси.

Для получения образца с пористостью, максимальной в промежутке между осевой и периферийной областями, при формовке одновременно уплотняют шихту в области оси и вращают оправку с угловой скоростью 60...3000 об/мин. На фиг.3 приведена фотография продольного среза соответствующего образца.

1. Пористый сплав на основе никелида титана, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из шихты, формуемой в цилиндрической оправке, отличающийся тем, что он имеет объемный коэффициент пористости, неоднородно распределенный в радиальном направлении.

2. Пористый сплав по п.1, отличающийся тем, что объемный коэффициент пористости увеличивается в направлении от оси к периферии.

3. Пористый сплав по п.1, отличающийся тем, что объемный коэффициент пористости уменьшается в направлении от оси к периферии.

4. Пористый сплав по п.1, отличающийся тем, что объемный коэффициент пористости максимален между осевой и периферийной областями.

5. Способ получения пористого сплава на основе никелида титана, включающий формовку шихты в цилиндрической оправке и СВС, отличающийся тем, что при формовке осуществляют дополнительное уплотнение, при этом получают пористый сплав, имеющий объемный коэффициент пористости, неоднородно распределенный в радиальном направлении.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что проводят дополнительное уплотнение в области оси, при этом получают пористый сплав по п.2.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительное уплотнение проводят путем вращения оправки с шихтой со скоростью 60-3000 об/мин, при этом получают пористый сплав по п.3.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что одновременно проводят дополнительное уплотнение в области оси и в периферийной области путем вращения оправки с шихтой со скоростью 60-3000 об/мин, при этом получают пористый сплав по п.4.