Способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана

Способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана

Реферат

Изобретение относится к способу изготовления сварных изделий, преимущественно сварных каркасов искусственных клапанов сердца (ИКС).

Известны способы изготовления каркасов ИКС механической обработкой (за рубежом - типа Stellite Haynos) - см. авторское свидетельство СССР № 1712459, C22F 1/10, опубл. 15.02.1992. Однако эти способы трудоемки и не позволяют изготавливать каркасы ИКС сложной формы.

Известен способ изготовления каркасов ИКС из титана ВТ 1-0 (α-β фазы) (пат. РФ N 2012284 A61F 2/24, опубл. 15.05.1994). Способ включает механическое изготовление корпуса и створок, сборку, нанесение углеродного покрытия. Способ включает нагрев прутка, из которого изготавливаются заготовки, его ковку и отжиг. Нагрев прутка проводят до температуры ~900°C, ковка со всесторонним обжатием с двойной или тройной осадкой до 30-50% с последующей протяжкой. Отжиг поковок при термической обработке производят в электрических камерных печах, прогретых до 670-680°C, с последующим охлаждением на воздухе. Корпус закрепляют в фиксированном положении, а створки устанавливают в приспособление, обеспечивающее сжатие створок при занесении в гнезда и расправлении при установке в гнезда. Целью известного изобретения является повышение надежности клапанов. Однако в патенте не содержится показателей, характеризующих эти изделия. Кроме того, способ трудоемок.

Авторами настоящей заявки испытаны цельноточеные образцы, выполненные из прутка титана ВТ 1-0, обработанные вышеизложенным способом (результаты приведены в таблице).

В качестве прототипа принят способ изготовления сварных изделий из сплавов системы кобальт-хром-никель-молибден, преимущественно каркасов ИКС, как наиболее близкий по сумме признаков (авт. свид. СССР № 1712459, C22F 1/10, опубл. 15.02.1992). Способ включает сборку и сварку деформированной волочением проволоки и пластины, термическую обработку. Проволоку предварительно деформируют волочением на 50%. Проводят электронно-лучевую сварку проволоки с пластиной при напряжении 16-18 кВ, ток пучка электронов 22-24 мА, время сварки 0,9-1,2 с, остаточное давление в вакуумной камере 133.10^-4-135.10^-5 Па. Затем осуществляют закалку с температуры 1100-1180°С в воде, холодную деформацию растяжением со степенью 15-20%, старение при 450-500°C в течение 10-15 ч.

Следует отметить высокую трудоемкость и длительность способа, что в итоге снижает его технологичность. Механические характеристики достаточно высоки (см. таблицу).

Известный способ совершенствуется предлагаемым решением.

Поставлена задача усовершенствования способа по прототипу для изготовления каркасов ИКС из титана, как сплава более технологичного, легкого, что важно для таких специфичных изделий, как каркасы ИКС.

Технический результат - повышение технологичности способа за счет снижения трудоемкости и длительности при высоких механических характеристиках.

Этот технический результат достигается тем, что в способе изготовления каркасов ИКС из технически чистого титана, включающем сборку и сварку деформированной волочением проволоки и пластины и термическую обработку, перед сборкой каркаса проволоку отжигают в вакуумной печи при температуре 550-600°C в течение 30-40 минут и охлаждают с печью, а после сварки проводят отжиг каркаса в вакуумной печи при температуре 550-600°C в течение 1,5-2 часов и охлаждение с печью.

Предлагаемый способ позволяет изготавливать каркасы ИКС из технически чистого титана, он легче, дешевле, обладает хорошей свариваемостью. Способ менее длителен, т.к. исключены операции закалки, холодной деформации и отпуска в течение 10-15 часов, снижается вес изделий в два раза, при высоких усталостных характеристиках.

Эффект досварочного отжига обусловлен тем, что проходящая при нем рекристаллизация делает металл термодинамически более устойчивым к сварочному термическому циклу.

Назначение послесварочного отжига - снижение уровня внутренних напряжений, получение более однородной структуры сварочного соединения, снижение твердости околошовной зоны, обусловленное снятием наклепа, возникающего в результате термодеформационного сварочного цикла, а также перераспределение упрочняющих околошовную зону при сварке примесей внедрения - кислорода и азота.

В результате до- и послесварочного отжигов достигается более равномерное распределение свойств в зонах влияния сварки (шов и зоны термического влияния).

Способ осуществляют следующим образом.

Проволоку из технически чистого титана деформируют волочением и отжигают при температуре 550-600°C в течение 30-40 минут, охлаждение с печью. Сваривают с пластинами из того же материала. После сварки каркасы отжигают при температуре 550-600°C в той же печи в течение 1,5-2 часов. Образцы готовых каркасов ИКС проходили механические испытания.

Пример осуществления способа.

Проволоку из технически чистого титана ВТ 1-0 деформировали волочением на 55% на диаметр 2±0,01 мм, длиной 45 мм и отжигали при температуре 550-600°C в течение 30-40 минут, охлаждали с печью. Готовили из того же материала пластины размером 12×12×1. Осуществляли сварку проволоки с пластиной. Термическая обработка и сварка осуществлялись в вакууме с остаточным давлением 133.10^-4-135.10^-5. Режим сварки: ускоряющее напряжение электронов 16-18 кВ, ток пучка электронов 18-20 мА, время сварки 1,0-1,2 с (как в прототипе).

После сварки каркасы проходили термическую обработку - отжиг в вакууме при температуре 550-600°C в течение 1,5-2 часов, охлаждение с печью.

После отжига каркасы подвергали механической и электрохимической полировке, а затем - испытаниям на знакопеременный симметричный циклический изгиб с определением предела выносливости на базе испытаний N=10⁷ циклов и интенсивности накопления циклических повреждений, характеризующихся показателями β₁, β₂ , в физиологическом растворе Рингера-Локка.

Результаты механических испытаний приведены в таблице.

Из таблицы видно, что температура 600°C досварочного отжига и 600°C послесварочного отжига обеспечивают оптимальное сочетание прочностных и пластических (относительного удлинения δ, относительного сужения Ψ) характеристик и наилучшие усталостные характеристики: максимальное значение предела выносливости σ_-1=235 МПа на базе испытаний N=10⁷ циклов, минимальные углы наклона левой (β₁) и правой (β₂) ветвей кривой усталости в двойных логарифмических координатах.

При уменьшении температуры досварочного отжига ниже 550°C (500°C) снижается предел выносливости и достаточно высоки углы наклона кривых усталости. Некоторое снижение предела выносливости, по сравнению с прототипом, связано с разницей в свойствах титана и сплавов системы кобальт-хром-никель-модибден.

При увеличении температуры досварочного отжига выше 600°С (650°C) наблюдается тот же результат.

При уменьшении времени выдержки при досварочном отжиге менее 30 минут (25 минут) процесс кристаллизации проходит менее полно и зерно менее устойчиво к росту в процессе сварки.

Увеличение времени выдержки при досварочном отжиге более 40 минут (45 минут) может привести к росту зерен, что отрицательно скажется на долговечности.

При уменьшении температуры послесварочного отжига ниже 550°C (500°C) менее полно снижается уровень внутренних напряжений, неравномерно распределение свойств в сварных соединениях.

При увеличении температуры послесварочного отжига выше 600°C (650°C) снижается предел выносливости.

При уменьшении времени выдержки при послесварочном отжиге менее 1,5 часов (1 час) имеет место неполное снижение внутренних напряжений, неравномерное распределение свойств по длине сварных соединений, неполное снятие наклепа, возникающего в результате термодеформационного сварочнго цикла.

Увеличение времени выдержки при послесварочном отжиге более 2 часов приводит к снижению уровня механических свойств из-за роста зерна.

Опытная партия каркасов ИКС прошла испытания на физиобиологических стендах в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным, и показала увеличение долговечности в 1,4-1,5 раза по сравнению с каркасами, не прошедшими предлагаемую обработку - отжиг.

Предлагаемый способ позволяет изготавливать каркасы ИКС более технологичным способом, более легкие, более дешевые, с более высоким пределом выносливости, что повышает их долговечность.

Способ соответствует критериям новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.

Таблица
Режим ТМО	Механические свойства
Т досварочного отжига, °C	Т послесварочного отжига, °C	σв, МПа	σв, МПа	σ-1, МПа	β1	β2	δ, %	Ψ, %
500	600	390	394	206,5	0,131	0,029	36,5	78
550	600	400	300	211,5	0,114	0,031	33,0	78
время 30 мин	время 1,5 часа
600	600	390	300	235	0,116	0,028	39	84
650	600	376	275	201	0,187	0,033	40	85
550	500	420	330	200	0,135	0,034	23	74,5
550	550	400	300	211,5	0,114	0,031	33,0	78
550	650	355	252,5	177	0,228	0,04	49,5	83,5
по прототипу		другие единицы
		1400-1525 Н/мм2	1295-1415 Н/мм2	540-560 Н/мм2	0,153-0,146	0,286-0,280	16-22	51,5-54,5
цельноточеные каркасы ИКС		440	384	230	0,131	0,034	35	78

Способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана, включающий сборку и сварку деформированной волочением проволоки и пластины и термическую обработку, отличающийся тем, что перед сборкой каркаса проволоку отжигают в вакуумной печи при температуре 550-600°С в течение 30-40 минут и охлаждают с печью, а после сварки проводят отжиг каркаса в вакуумной печи при температуре 550-600°С в течение 1,5-2 часов и охлаждение с печью.