Способ изготовления изделий из пористого никелида титана

Способ изготовления изделий из пористого никелида титана

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к металлургии и может использоваться при изготовлении изделий хирургической техники.

Сплавы на основе никелида титана благодаря своим специфическим свойствам нашли широкое применение в новой современной технике и, в том числе, в медицинской. Прогресс развития последней наиболее заметно обозначился с появлением технологии пористых материалов и разработкой разнообразных устройств, преимущественно хирургического назначения. Инженерному поиску предшествовали физические исследования этих материалов, обособившихся в отдельный класс благодаря оригинальным и полезным для медицины свойствам. Сохраняя высокие физико-механические свойства, биосовместимость с живыми тканями организма, присущие никелиду титана, пористый никелид титана эффективнее интегрируется с различными тканями и потому функционально намного шире монолитного. Из него делают крепежные устройства, технические средства замещения и пластики тканей, инкубаторы - носители клеточных культур, устройства самостоятельного функционирования и в комбинации с монолитными деталями и узлами.

Прогрессу пористого никелида титана способствовала СВС-технология его производства (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) - преимущественная по многим показателям по сравнению с технологией спекания порошков.

Структурная и морфологическая особенности пористого никелида титана, т.е. наличие системы пор и, как следствие, большая удельная поверхность - обуславливают ряд свойств, не вполне удовлетворяющих потребительские интересы. В частности, у пористого никелида титана понижен предел обратимой деформации, что ограничивает возможности его формовки при изготовлении изделий сложной, нерегулярной формы. Недостаток усугубляется при нагреве материала, как правило, необходимом для формовки, и таким образом условно трансформируется в недостаток способа изготовления изделий.

Известен способ производства пористого никелида титана методом СВС и получения полуфабрикатных изделий из него (Гюнтер В.Э. и др. Медицинские материалы и имплантанты с памятью формы. г.Томск, Изд. Томского госуниверситета, 1988, с.465). Способ включает синтез сплава, получаемого в результате выделения тепла при взаимодействии (экзотермической реакции) порошкообразных элементов - никеля и титана. Для этого указанные элементы тщательно смешивают, штабируют и подвергают локальному нагреву для возбуждения реакции. Выделяемое в данном объеме тепло путем теплопроводности нагревает соседние слои вещества, вызывая в них продолжение реакции и обеспечивая перемещение зоны реакции в пространстве. Таким образом происходит послойное горение в тонком слое - волне горения, которая последовательно пробегает весь объем сформованного штаба. (Внешняя картина «бенгальских огней».) Волна оставляет за собой остывающий продукт (пористый сплав). Для получения из него изделия материал в слитке или технологически обоснованных фрагментах подвергают горячей формовке путем гибки, штамповки и т.д. до окончательного вида. Формовочную работу проводят при разогреве заготовки до 700-900°С. При этом имеющиеся в материале дефекты кристаллической структуры, определяющие предел обратимой деформации, множатся. Изделие становится менее эластичным и даже хрупким, что снижает его функциональную эффективность и надежность работы.

Данный способ принят за прототип предлагаемого изобретения, технический результат которого относительно него состоит в повышении предела обратимой деформации производимого СВС способом проницаемо-пористого никелида титана.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из пористого никелида титана, произведенного по СВС-технологии, включающем горячую формовку, произведенный материал предварительно отжигают в вакууме при температуре 300-600°С в течение 0,5-1,0 часа, а горячую формовку осуществляют при нагреве материала в зоне формовки до температуры не выше 800°С и времени выдержки не более 1 сек. Горячую формовку материала осуществляют его гибкой при поэтапном локальном нагреве зон формовки.

Обоснование существенных признаков и достижимости технического результата может быть проведено путем интерпретации физических процессов при мартенситных превращениях в рамках представлений авторов и на основании проведенных исследований.

Деформация интерметаллидного сплава никелида титана связана с мартенситными превращениями кристаллической решетки, с так называемыми в физике твердого тела фазовыми переходами. Одной из внешних характеристик такой деформации, важной для прикладного использования, является величина предела обратимой деформации, за которой далее при нагрузке следуют пластическая деформация и разрушение. Предельные значения величины обратимой деформации изначально, в сплаве, синтезированном из исходных порошковых ингредиентов (для пористого никелида титана - это преимущественно высокотемпературный самораспространяющийся синтез - СВС), зависят от дефектности кристаллической решетки: вида дефектов, их концентрации, распределения по объему и других характерных параметров. Эта зависимость непостоянна при изменении температуры материала и позволяет, при знании закономерности, целесообразно управлять величиной предела обратимой деформации путем нормированного теплового воздействия - отжига. На фиг.1 представлена экспериментально полученная зависимость ε=f(T) величины предела обратимой деформации (в условных единицах) от температуры отжига. Ее физическая интерпретация представляется в следующем виде: в фазовый состав сплава после его синтеза, кроме фазы TiNi, отвечающей за мартенситное превращение, входят (в числе прочих) фаза, обогащенная по титану Ti₂Ni, и фаза, обогащенная по никелю TiNi₃, каждая в своем содержании. Последние играют роль дефектов кристаллической решетки, искажают ее симметрию и снижают величину предела обратимой деформации. При отжиге, т.е. нагреве материала и выдерживании его при фиксированной температуре некоторое время, происходит диффузия фазы, обогащенной по титану, к границам зерен и сегрегация ее на свободных поверхностях границ раздела. «Очищение» объема кристалла от дефектов этого вида приводит к увеличению ε. Эффект увеличивается с ростом температуры отжига, что отражено восходящей ветвью кривой фиг.1. Процесс сопровождается в объеме ростом относительной концентрации фазы, обогащенной по никелю, также препятствующей протеканию мартенситного перехода. Обогащение по никелю означает уменьшение фазы TiNi, т.е. приводит к эффекту, обратному нижнему участку графика. Сложение двух, противоположных по знаку и нелинейно зависящих от температуры, эффектов определяет вид кривой с максимальным экстремумом и уплощенным участком в его окрестности. Таким образом, существует конечный интервал температур отжига, в котором эффект мартенситных превращений и, следовательно, величина предельной обратимой деформации максимальны.

Для известных, гостированных и находящихся в эксплуатации, марок пористого никелида титана отмеченный интервал температур экспериментально установлен в значениях 300-600°С. За пределами этого интервала эффективность отжига снижается, и последний становится нецелесообразным.

Диффузный характер структурных перестроений при отжиге означает инерционность процесса, лонгированность его и асимптотический характер «очистки». Поэтому существенным является время отжига. В упомянутом экспериментальном исследовании и в увязке с указанными температурами оно определено значением интервала 0,5-1 час.

Все вышеприведенные рассуждения справедливы для условия отсутствия атмосферы кислорода, т.е. вакуума. На практике отжиг производят в запаянном и откачанном кварцевом контейнере или в вакуумной печи с разреженностью газа до

10^-4 мм рт.ст.

Дальнейшие действия горячей технологии изготовления изделий из отожженного никелида титана по причинам, сходным с упомянутыми, обуславливаются по температуре нагрева - не выше 800°С и времени выдержки при такой температуре локального участка, где производятся гибочные работы, - не более 1 сек. Выход за эти пределы приводит к утрате качества материала, достигнутого отжигом, к охрупчиванию его.

Оригинальные прикладные результаты научных исследований, сформулированные как признаки изобретения, свидетельствуют о соответствии предложения критерию «изобретательский уровень». На чертежах представлено:

Фиг.1. График ε=f(T) зависимости величины предельной деформации пористого никелида титана от температуры отжига.

Фиг.2. Образец изделия медицинского назначения из листового пористого никелида титана, изготовленного горячей формовкой по предлагаемому способу. Фиг.3. Внешний вид протеза для поддержки глазного яблока: 1 - функциональный участок, 2 - опорный участок.

Конкретным примером использования предлагаемого способа и доказательства достижимости технического результата является производство протеза для пластической операции средней зоны лица, выполненной в Томском НИИ Онкологии.

Способ допускает применение различных технических приемов осуществления горячей формовки материала, из которых по эффективности предпочтителен прием поэтапной гибки по зонам формовки с предварительным быстрым (не более 1 сек) нагревом каждого участка.

Пример

Для протезирования костных структур подглазничной области, резецированных по поводу раковой опухоли, изготовлен протез (фиг.2). Он имеет сложную выгнутую форму (фиг.3), в которой дифференцируется функциональный участок 1, предназначенный для поддержки глазного яблока с прилежащими к нему мягкоткаными органами, и участок 2 опоры протеза на сохранившиеся костные структуры скелета лица. Сложная кривизна протеза и, следовательно, технология его формовки требуют пластичности материала, а его функционирование во взаимодействии с мягкими тканями организма - эластичности. Во избежание чрезмерного охрупчивания при горячей формовке весь способ изготовления осуществлен в соответствии с предложением.

Из порошковых ингредиентов методом СВС в режиме послойного горения изготовлен слиток пористого никелида титана. От пористой заготовки методом электроискровой резки в воде отрезана пластина толщиной 0,4 мм. Пластина помещена в вакуумную печь с откачанной до 10^-4 мм рт.ст. атмосферой, нагрета до температуры 350°С и выдержана при такой температуре 1 час. Затем пластина с неразгерметизированной печью охлаждена до комнатной температуры в течение 1,5 часа. По изготовленному шаблону, макетирующему участок замещения, пластина выгнута к форме фиг.3 методом горячей формовки. При этом производился поэтапно локальный кратковременный до 1 сек нагрев участков пластины пламенем горелки таким образом, чтобы температура его не превысила 700°С.

Качество изготовленного протеза оценивалось по субъективным ощущениям обратимой деформации в сопоставлении с неотожженным образцом не того химического состава и технологии. Сравнение показало явное преимущество протеза, которое и было успешно использовано в вышеупомянутой операции, а функционирование его отслежено до отдаленности срока 2 года.

Инженерная готовность способа, его технологическая доступность свидетельствуют о соответствии предлагаемого изобретения критерию «промышленная применимость».

1. Способ изготовления изделий из пористого никелида титана, полученного самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, включающий горячую формовку, отличающийся тем, что перед горячей формовкой никелид титана отжигают в вакууме при 300-600°С в течение 0,5-1,0 ч, а горячую формовку осуществляют при нагреве зон формовки до температуры не выше 800°С и времени выдержки не более 1 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячую формовку осуществляют гибкой, при этом поэтапно проводят локальный нагрев зон формовки.