Способ получения проницаемого пеноматериала из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению проницаемого пеноматериала из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий. Может использоваться в медицине, в качестве костных имплантатов, и в других отраслях техники, в качестве фильтровальных элементов. Сферичные частицы полиметилметакрилата размером не более 250 мкм и порошка сплава системы титан-цирконий-ниобий размером не более 50 мкм равномерно перемешивают при следующем соотношении в массовых долях: полиметилметакрилат 0,1-0,4, металлический порошок – остальное. Компактируют путем двухстороннего прессования при давлении 150-200 МПа в цилиндрические заготовки диаметром 5-20 мм и высотой 5-40 мм. Затем проводят пиролиз при многоступенчатом нагреве с выдержкой при температуре 400-450°C в течение 2-3 ч и спекание при температуре 1350-1400°C и давлении не менее 0,0001 тор в течение 3-4 ч. Обеспечивается повышение пористости, увеличение объемной доли пор размером 100-800 мкм, повышение предела прочности на сжатие и снижение значения модуля Юнга. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к созданию способа получения проницаемого пеноматериала из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий. Материалы цилиндрической формы, полученные с использованием предлагаемого способа, могут быть использованы в медицине, в качестве костных имплантатов, и в других отраслях техники, в качестве фильтровальных элементов.

Известен способ получения имплантационного материала на основе пористого политетрафторэтилена включает подготовку поверхности основы, служащей подложкой, нанесение на подготовленную поверхность подложки поверхностного слоя покрытия модифицированного легирующими элементами, путем магнетронного распыления одной из мишеней выбранной из ряда металлов, включающего: титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал; карбидов указанных металлов, или композиционных керамических материалов, выбранных из группы, включающей: карбид титана, содержащий 10 мас. % оксида кальция; карбид титана, содержащий 10 мас. % оксида кальция и 2 мас. % перманганата калия; карбид титана, содержащий 10 мас. % оксида циркония; карбид титана, содержащий 10 мас. % гидроксиапатита, при этом распыление одной из указанных мишеней проводят при давлении 1-2⋅10-1 Па, при температуре подложки в интервале 150-170°C, в атмосфере аргона или смеси аргона с азотом, при парциальном давлении азота 14% (RU 2325191 С1, опублик. 27.05.2008). В отношении получения проницаемого пеноматериала из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий известный способ имеет недостатки. Предписываемые способом условия и компоненты позволяют получать композиционные металлокерамические пеноматериалы с малой пористостью (до 10%) и низкими прочностными характеристиками (предел прочности менее 30 МПа). Такие материалы не могут применяться в качестве внутрикостных материалов, работающих под нагрузкой, т.к. костная ткань прочнее.

Известен также способ приготовления медицинского композиционного материала с радиальным градиентом, включающий следующие этапы: порошок Ti, имеющий размер частиц менее 150 мкм, порошок НА, имеющий размер частиц менее 300 нм, и порошок NH4HCO3, имеющий размер частиц от 100 до 500 мкм, смешивают в смесителе для получения смешанного порошка А, и массовый процент порошка Ti в смешанном порошке А составляет 60%. 80%, массовый процент порошка НА составляет от 5 до 20%, а массовый процент порошка NH4HC03 составляет от 5 до 25%; порошки Ti, Nb и Zr с размером частиц менее 150 мкм взвешивают в соответствии с массовым процентным содержанием Nb: от 10 до 16%, Zr: от 10 до 16% и остатком Ti, а затем помещают в резервуар вакуумной шаровой мельницы и в планетарную шаровую мельницу, выполнение шарового помола для получения смешанного порошка Б; зафиксируйте форму внутренней трубки в центре формы рукава с помощью приспособления, заполните смешанный порошок А между формой внутренней трубы и рукава до расчетной высоты образца и прижмите смешанный порошок А под односторонним давлением, после фактического удаления извлекают внутреннюю трубчатую форму, а затем смешанный порошок В заполняют в центр полого цилиндрического зеленого тела, и затем смешанный порошок в гильзе формируют в холодном состоянии, и материал сердцевины и наружного слоя получают после втягивания гильзы (CN 108273126 А, опублик. 13.07.2018). В отношении получения проницаемого пеноматериала из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий известный способ имеет недостатки:

- Измельчение и перемешивание чистых материалов в вакуумной шаровой мельнице и в планетарной шаровой мельнице - это дополнительная трудоемкая операция, которая требует контроля химического состава материала. В предлагаемом способе в качестве исходного материала используется порошок сплава известного состава.

- Размеры получаемых образцов ограничены в одном измерении до 20,5 мм. В предлагаемом способе возможно получение гораздо более крупных образцов.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ получения биомедицинского пористого титанового сплава Ti-39Nb-6Zr включает стадии: получение слитка сплава Ti-39Nb-6Zr методом вакуумной плавки и получение сферических частиц порошка методом распыления с вращающимся электродом; использование порошка сплава 100-150 меш, добавление связующего вещества или порообразующего агента бикарбоната аммония и связующее, полностью перемешанное, спрессованное в прессованную массу; компакт спекается в печи для спекания с аргоновой трубкой, чтобы полностью удалить связующее или порообразователь и связующее, чтобы получить пористый сплав Ti-39Nb-6Zr (CN 106801163 А, опублик. 06.06.2017).

В результате применения способа-прототипа можно получить пористые материалы с модулем упругости 3.6-12.4 ГПа и пористостью 19.4-42.1%. Ничего не сообщается о параметрах пористой структуры, размере пор и проницаемости материалов. Эти характеристики являются критически важными с точки зрения врастания костной ткани в пористую структуру биоматериала. В результате применения предлагаемого способа становится возможным получение проницаемого пеноматериала с пористостью более 50%, с большей объемной долей пор размером 100-800 мкм, низким модулем упругости 2-15 ГПа и достаточно высокой прочностью (предел прочности более 100 МПа). Этот комплекс характеристик наглядно показывает преимущества предлагаемого способа над рассматриваемым способом-прототипом.

Техническим результатом является создание изобретения в виде способа получения проницаемого пеноматериала из сверхупругих сплавов циллиндрической формы системы титан-цирконий-ниобий. Путем последовательного осуществления процессов перемешивания металлического порошка и порошка полиметилметакриллата сферической формы, компактирование их в формы, пиролиза и спекания можно получать металлические пеноматериалы с заданными зарактеристиками пористостой структуры. Контролируемое применение предложенного способа позволит получать спеченные металлические пеноматериалы с высокой пористостью (более 50%), с большей объемной долей пор размером 100-800 мкм, высоким пределом прочности на сжатие (не менее 100 МПа) и низкими значениями модуля Юнга (2-15 ГПа), близкими к таковым у трабекулярной костной ткани человека.

Изобретение поясняется рисунком, где на фиг. 1 показана схема осуществления способа получения проницаемого пеноматериала из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий.

Технический результат достигается следующим образом. Порошок сферической формы из сплава на основе Ti-18Zr-14Nb (в ат. %), полученый методом диспергирования индукционно-расплавляемого электрода газовым потоком, размером не более 50 мкм и порошок полимера (0,2% от общей массы) полиметилметакрилата (ПММА) сферической формы, размером не более 250 мкм равномерно перемешивали.

Прессование порошков Ti-Zr-Nb и ПММА в цилиндрические формы осуществлялось на пресс-машине с давлением 200 МПа по схеме двухстороннего (с плавающей матрицей) прессования. Диаметр получаемых образцов 20 мм, высота не более 40 мм.

Спрессованный образец помещается в вакуумную печь с величиной вакуума не более 1 Па. В рабочей камере вакуумной печи достигается температура 200°C со скоростью 10°C/мин при такой температуре полимер размягчается, но не переходит в газообразную форму, далее скорость нагрева снижается до 2°C/мин, а камера нагревается до 450°C. При данной температуре образец выдерживается в течение двух часов. И по окончанию выдержки охлаждается в печи. В результате данной операции получается продукт, состоящий исключительно из металлического компонента.

Далее образец помещается в вакуумную печь с величиной вакуума не менее 0,0001 торр. Оптимальной температурой для проведения данной операции является температура, равная 0,78 от Тпл, что для данной сплава составляет приблизительно 1400°C. Образец нагревали до 1400°C со скоростью 10°C/мин и выдерживали в течение трех часов, и по окончанию выдержки охлаждали в печи. В результате данной процедуры получается прочный пористый образец.

Пример 1

Для получения проницаемого пористого металлического материала из сплава Ti-18Zr-14Nb цилиндрической формы диаметром 10 мм и высотой 3 мм с заданной пористостью 55% необходимо осуществить следующие действия:

1. Рассев металлического порошка и разделением его на две группы - с размером частиц менее 50 мкм и более 50 мкм;

2. Рассев порообразователя - полиметилметакрилата (ПММА) и разделение его на две группы - с размером частиц от 50 до 160 мкм и размером частиц от 160 до 250 мкм.

3. Смешивание ПММА разных фракций в соотношении 30% с размером частиц от 50 до 160 мкм и 70% с размером частиц от 160 до 250 мкм. Массовая доля металла и ПММА для пористости 55% составляет 0,79 и 0,21 соответственно. Масса замеса зависит от необходимого количества конечных заготовок.

4. Равномерное перемешивание в специальной емкости под углом 15-20 градусов в течении 25 минут.

5. Перемешанный состав массой 0,65 г засыпать в пресс-форму с диаметром отверстия 10 мм.

6. Произвести двустороннее компактирование с усилием в 200 МПа.

7. Для пиролиза необходимо удалить металлический налет со стенок заготовки образовавшегося после компактирования для лучшего выхода газовой фракции (ПММА). Для поддержания формы образцов в процессе пиролиза образцы необходимо обсыпать металлическим порошком крупной фракции(более 50 мкм). Процесс пиролиза проходит в вакууме не менее 0,002 торр. по единому режиму:

а) нагрев заготовки до 300°C со скоростью 10°C/мин

б) нагрев заготовки до 450°C со скоростью 2°C/мин

в) выдержка при 450°C в течении одного часа

г) охлаждение в печи

8. Процесс спекания проходит в вакууме не менее 0,0001 торр. по единому режиму:

а) нагрев заготовки до 1350°C

б) выдержка при 1350°C в течении 3 часов

г) охлаждение в печи.

Таким образом, в результате применения способа, получены проницаемые пористые материалы из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий цилиндрической формы диаметром 10 мм и высотой 3 мм, с пористостью 55%, пределом прочности на сжатие 210 МПа и низкими значением модуля Юнга (10 ГПа).

Пример 2

Для получения проницаемого пористого металлического материала из сплава Ti-22Nb-6Zr цилиндрической формы диаметром 14 мм и высотой 15 мм с заданной пористостью 63% необходимо осуществить следующие действия:

1. Рассев металлического порошка и разделением его на две группы - с размером частиц менее 50 мкм и более 50 мкм;

2. Рассев порообразователя - полиметилметакрилата (ПММА) и разделение его на две группы - с размером частиц от 50 до 160 мкм и размером частиц от 160 до 250 мкм.

3. Смешивание ПММА разных фракций в соотношении 30% с размером частиц от 50 до 160 мкм и 70% с размером частиц от 160 до 250 мкм. Массовая доля металла и ПММА для пористости 62% составляет 0,76 и 0,24 соответственно. Масса замеса зависит от необходимого количества конечных заготовок.

4. Равномерное перемешивание в специальной емкости под углом 15-20 градусов в течении 25 минут.

5. Перемешанный состав массой 6,4 г засыпать в пресс-форму с диаметром отверстия 14 мм.

6. Произвести двустороннее компактирование с усилием в 200 МПа.

7. Для пиролиза необходимо удалить металлический налет со стенок заготовки образовавшегося после компактирования для лучшего выхода газовой фракции (ПММА). Для поддержания формы образцов в процессе пиролиза образцы необходимо обсыпать металлическим порошком крупной фракции(более 50 мкм). Процесс пиролиза проходит в вакууме не менее 0,002 торр. по единому режиму:

а) нагрев заготовки до 300°C со скоростью 10°C/мин

б) нагрев заготовки до 450°C со скоростью 2°C/мин

в) выдержка при 450°C в течении одного часа

г) охлаждение в печи

8. Процесс спекания проходит в вакууме не менее 0,0001 торр. по единому режиму:

а) нагрев заготовки до 1400°C

б) выдержка при 1400°C в течении 3 часов

г) охлаждение в печи

Получение проницаемого металлического материала из сплава Ti-18Zr-14Nb медицинского назначения методом порошковой металлургии с заданной пористостью 63% и геометрическими параметрами D=14 мм, h=15 мм

Таким образом, в результате применения способа, получены проницаемые пористые материалы из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий цилиндрической формы диаметром 14 мм и высотой 15 мм, с пористостью 63%, пределом прочности на сжатие 130 МПа и низкими значением модуля Юнга(5 ГПа).

1. Способ получения проницаемого пеноматериала из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий, включающий получение и равномерное перемешивание сферичных частиц полиметилметакрилата размером не более 250 мкм и металлического порошка размером не более 50 мкм при следующем соотношении в массовых долях:

полиметилметакрилат 0,1-0,4
металлический порошок остальное,

компактирование путем двухстороннего прессования при давлении 150-200 МПа в цилиндрические заготовки диаметром 5-20 мм и высотой 5-40 мм, пиролиз при многоступенчатом нагреве с выдержкой при температуре 400-450°C в течение 2-3 ч и спекание при температуре 1350-1400°C и давлении не менее 0,0001 тор в течение 3-4 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлический порошок изготавливают из сплава при следующем соотношении компонентов, ат.%:

ниобий 14-22
цирконий 6-18
титан остальное



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, пригодным для холодной прокатки Бета-титановый сплав, пригодный для холодной прокатки, содержит, мас.%: молибден от 13,0 до 20,0, ниобий от 2,0 до 4,0, кремний от 0,1 до 0,4, алюминий от 3,0 до 5,0, цирконий от более 0,0 до 3,0, олово от более 0,0 до 5,0, кислород от более 0,0 до 0,25 и титан и случайные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к функциональным заготовкам из сплава на основе титана, обладающим повышенной прочностью, упругостью и пластичностью.

Изобретение относится к области ультразвуковых технологических систем различного назначения и может быть использовано для создания сплава для изготовления ультразвуковых электродов, обладающих высоким ресурсом работы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым композиционным материалам. Титановый композиционный материал содержит внутренний слой, содержащий технически чистый титан или титановый сплав, наружный слой, сформированный на по меньшей мере одной прокатываемой поверхности внутреннего слоя и имеющий химический состав, который отличается от химического состава внутреннего слоя, и промежуточный слой, сформированный между внутренним слоем и наружным слоем и имеющий химический состав, который отличается от химического состава внутреннего слоя.

Изобретение относится к области ультразвуковых технологических систем различного назначения и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов, обладающих высоким ресурсом работы.

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 1000°С, в частности для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода. Способ осуществляют в охлаждаемом водой медном сосуде плавлением сплава Ti-Al, содержащего не меньше 40 мас.% Al и полученного с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, причем этот материал сплава содержит кислород в общем количестве 0,1 мас.% или больше, а раскисление осуществляют путем выдержки в атмосфере с давлением не менее 1,33 Па.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам с высокой коррозионной стойкостью, и может быть использовано для производства компонентов системы производства и/или извлечения нефти и газа.

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам определения механических и физических свойств титановых сплавов. Способ выбора титанового сплава для ультразвукового волновода заключается в том, что определяют механические и физические свойства и структуру сплавов, при этом определяют предел прочности на разрыв σВ, предел текучести σ0,2, скорость звука в двух взаимно перпендикулярных направлениях и выбирают сплав с пределом прочности на разрыв не менее 1200 МПа, отношением σ0,2/σВ в пределах 0,9-0,95, скоростью звука не менее 6150 м/с в обоих направлениях и различием скоростей не более чем на 50 м/с.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам, и может быть использовано для изготовления деталей воздушного судна. Титановый сплав содержит, мас.%: алюминий 0,5-1,6, ванадий 2,5-5,3, кремний 0,1-0,5, железо 0,05-0,5, кислород 0,1-0,25, углерод до 0,2, титан и случайные примеси - остальное, при этом он имеет предел текучести 550-850 МПа, предел прочности на растяжение 600-900 МПа, баллистическую стойкость к ударным нагрузкам при баллистическом пределе V50, составляющую более 120 м/с и обрабатываемость при производительности токарной обработки V15 выше 125 м/мин.

Изобретение относится к порошковой металлургии. Порошки Fe, Аl при соотношении 70:30 смешивают в шаровой мельнице 2-3 ч и дегазируют в вакуумной камере 1 при давлении 10 Па.

Изобретение относится к изготовлению изделий из твердосплавных порошковых смесей. Готовят пресс-порошок из твердосплавной смеси путем введения связывающей жидкости с последующим брикетированием полученной смеси и перетиранием сформированных брикетов с образованием пресс-порошка.

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, а именно к получению силуминов с использованием в качестве источника кремния аморфного микрокремнезема. Способ получения силуминов включает введение кремнийсодержащего оксидного сырья в алюминиевый расплав, перемешивание расплава и разливку полученного сплава, причем в качестве кремнийсодержащего оксидного сырья используют аморфный микрокремнезем, который перед введением в расплав подвергают термической обработке при температуре 200-300°С, введение аморфного микрокремнезема осуществляют в потоке инертного газа с перемешиванием, обеспечивающим втягивание частиц микрокремнезема в вихревую воронку, образованную в жидком алюминии, а после перемешивания расплав легируют магнием в количестве до 1% масс.

Изобретение относится к получению порошка псевдосплава W-Ni-Fe из отходов. Проводят электроэрозионное диспергирование отходов псевдосплава W-Ni-Fe в виде стружки в дистилированной воде при частоте следования импульсов 156 Гц, напряжении на электродах 100 В и емкости разрядных конденсаторов 65,5 мкФ.
Изобретение относится к получению порошковой оксидной калий-титановой бронзы. Ведут механохимическую обработку реакционной смеси, состоящей из диоксида титана и иодида калия в мольном соотношении 1:0,12, в планетарной мельнице с числом оборотов барабана мельницы 1200 в мин в течение 400 с.

Группа изобретений относится к получению гранулированного феррохрома. Способ включает гранулирование расплава феррохрома, содержащего 1-9 мас.% С, 25-70 мас.% Cr, ≤ 2,0 мас.% Si, остальное Fe и примеси не более 3 мас.%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при изготовлении лопаток, дисков, створок и других деталей газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Способ получения узкофракционных сферических порошков из жаропрочных сплавов на основе алюминида никеля включает стадию предварительного выделения заданной фракции путем классификации исходного порошкообразного материала зернистостью 5-150 мкм, стадию получения целевого продукта, заключающуюся в проведении термовакуумной обработки в течение 3-4 ч при остаточном давлении 10-5-10-6 мм рт.ст., температуре 800-900°С и скорости нагрева до данной температуры 15-20°С/мин и последующей плазменной сфероидизации, при этом оставшийся после предварительного выделения заданной фракции более мелкий и более крупный порошок подвергают перемешиванию, прессованию, вакуумному спеканию до относительной плотности 70-80%, размолу, после чего полученный порошок возвращают на стадию предварительного выделения заданной фракции и далее выделенную заданную фракцию направляют на стадию получения целевого продукта.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению легких сплавов на основе алюминия, и может быть использовано в ракетно-космической, авиационной и автомобильной промышленности.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства алюминиевых лигатур, применяемых для модифицирования сплавов. Способ включает приготовление и расплавление смеси, содержащей фторид натрия, фторид калия, соединение редкого металла и алюминий, алюмотермическое восстановление соответствующего металла из его соединения с последующим отделением осадка.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению термостабильных редкоземельных магнитов. Магниты могут использоваться в системах автоматики, промышленном оборудовании, автомобилях.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению проницаемого пеноматериала из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий. Может использоваться в медицине, в качестве костных имплантатов, и в других отраслях техники, в качестве фильтровальных элементов. Сферичные частицы полиметилметакрилата размером не более 250 мкм и порошка сплава системы титан-цирконий-ниобий размером не более 50 мкм равномерно перемешивают при следующем соотношении в массовых долях: полиметилметакрилат 0,1-0,4, металлический порошок – остальное. Компактируют путем двухстороннего прессования при давлении 150-200 МПа в цилиндрические заготовки диаметром 5-20 мм и высотой 5-40 мм. Затем проводят пиролиз при многоступенчатом нагреве с выдержкой при температуре 400-450°C в течение 2-3 ч и спекание при температуре 1350-1400°C и давлении не менее 0,0001 тор в течение 3-4 ч. Обеспечивается повышение пористости, увеличение объемной доли пор размером 100-800 мкм, повышение предела прочности на сжатие и снижение значения модуля Юнга. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

Наверх