ШИХТА ДЛЯ НАПЕКАНИЯ ПОРИСТОЙ ЧАСТИ НА МОНОЛИТНУЮ ЧАСТЬ ИМПЛАНТАТА ИЗ НИКЕЛИДА ТИТАНА Российский патент 2016 года по МПК B22F3/11 C22C1/08 A61L27/06 A61L27/56 

Изобретение относится к порошковой металлургии титановых сплавов и может быть использовано при получении комбинированных пористо-монолитных имплантатов на основе никелида титана для применения в медицине.

Применение пористого никелида титана в таких областях медицины, как травматология, хирургия, онкология, и других с целью замещения костных и мягких тканей связано с его уникальным комплексом свойств: биомеханической и биохимической совместимости. Среди материалов на основе никелида титана с памятью формы для медицины большую роль играют пористые сплавы, получаемые методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), а также методом спекания. Эти сплавы обладают свойствами памяти формы и сверхэластичности с одной стороны и хорошей коррозионной устойчивостью с другой [Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы. Медицинские материалы с памятью формы. Т. 1., Гюнтер В.Э., Ходоренко В.Н., Чекалкин Т.Л. и т.д., стр. 339]. Метод СВС позволяет получать, как правило, относительно крупные изделия с размерами более 15 мм. Более мелкие изделия, например, стоматологические имплантаты, не могут быть получены методом СВС в силу неустойчивости процесса синтеза, поэтому их получают методом спекания в вакууме. При спекании комбинированных изделий, содержащих монолитную и пористую часть, например стоматологических имплантатов с пористой внутрикостной частью, существенную роль играет проблема сопряжения механических характеристик разнородных частей, а также проблема разупрочнения монолитных частей изделия в условиях длительного воздействия высоких температур.

Для спекания пористой части используют в основном два способа: диффузионное и реакционное спекание. При диффузионном спекании применяют измельченный никелид титана в виде гранул, проволоки или порошка. При реакционном спекании применяют смесь порошков титана и никеля.

К преимуществам диффузионного спекания относится постоянство концентрационного и фазового состава пористой части изделия. К недостаткам - высокая температура спекания, вызывающая рекристаллизацию спекаемых материалов. Высокая температура спекания необходима для получения качественных межчастичных контактов пористой части изделия, но в то же время воздействие высокой температуры ведет к разупрочнению, короблению и изменению размеров монолитных частей изделия.

К преимуществам реакционного спекания относятся: высокая прочность пористой части изделия за счет качественных контактов между ее частицами и более прочная связь пористой части с монолитной частью. Меньшая, в сравнении с диффузионным спеканием, температура спекания позволяет в некоторой степени избежать разупрочнения и изменения размеров монолитных частей спекаемого изделия. К недостаткам реакционного спекания относятся: высокая фазовая неоднородность пористого продукта спекания и длительная выдержка, применяемая с целью уменьшения указанной фазовой неоднородности, но опять-таки ведущая к разупрочнению монолитной части изделия. Недостатком является также избыток образующегося при спекании расплава, приводящий к излишней усадке и сглаживанию поверхности пористой части изделия.

Таким образом, для практики получения мелкоразмерных комбинированных изделий, содержащих монолитную и напеченную на нее пористую части, существенной задачей является снижение температуры спекания при минимальном времени спекания с возможным сохранением прочности монолитной части изделия и достижением прочности пористой части, сравнимой с прочностью монолитной части. Предпочтительно, чтобы температура спекания не превышала 1000ºС.

В рамках существующих способов синтеза и спекания определяющим в решении указанной задачи является состав шихты. Можно указать ряд вариантов состава шихты, пригодных для напекания пористой части на монолитную часть имплантата из никелида титана.

Известна шихта, для получения пористого никелида титана методами реакционного спекания, включающая порошки титана электролитического ПТЭМ и никеля карбонильного ПНК-ОТ4 [Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы. Изд. Томского госуниверситета, г. Томск, 1998, с. 459], [Эффект памяти формы в пористых сплавах, полученных реакционным спеканием системы Ti-Ni. Известия высших учебных заведений. Артюхова Н.В., Ясенчук Ю.Ф., Гюнтер В.Э. Цветная металлургия, стр. 59]. Указанная шихта позволяет получить прочную связь как между частицами внутри пористой части, так и между пористой и монолитной частями при температуре процесса, близкой к 950ºС. Однако для достижения фазовой однородности в пористой части при спекании необходимы выдержки 120-180 мин. Такой длительный нагрев приводит к потере прочности монолитной части, участвующей в спекании, и ее короблению.

Известна шихта для получения пористого сплава на основе никелида титана диффузионным спеканием, включающая восстановленный порошок никелида титана с размерами частиц в интервале 50-100 мкм и позволяющая получать сплав с высокой фазовой однородностью [Структура и параметры эффекта памяти формы никелида титана, изготовленного диффузионным спеканием. Митрофанова И.В., Артюхова Н.В., Ясенчук Ю.Ф. стр. 67]. Однако известная шихта требует температуры спекания 1270ºС и не позволяет получить качественный сплав в диапазоне температур до 1000ºС, приемлемых с точки зрения сохранения прочности монолитной части.

Известна шихта, в наибольшей степени приближающаяся к требованиям минимизации температуры и времени выдержки, состоящая из порошка никелида титана. [Структурообразование никелида титана в процессе порошковой металлургии. Автореферат дис. на соиск. … д. тех. наук. Дроздов И.А, стр. 14]. Известная шихта позволяет получить пористый сплав с высокой фазовой однородностью при температуре спекания 1000-1200ºС и выдержке до 120 мин. Тем не менее и эти характеристики не соответствуют требованиям обеспечения температуры процесса менее 1000ºС и минимального времени выдержки. Соответственно не выполняются требования фазовой однородности и механической прочности комбинированного изделия в целом.

Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение температуры и времени выдержки при напекании пористой части на монолитную часть имплантата из никелида титана до величин, обеспечивающих сохранность механических характеристик монолитной части наряду с высокой прочностью пористой части и прочной связью между частями.

Технический результат обеспечивается тем, что шихта для напекания пористой части на монолитную часть имплантата из никелида титана, состоящая из порошка никелида титана, отличается тем, что в нее введена добавка в количестве 10-20 вес.%, включающая от 60 до 65 ат.% порошка титана электролитического с размерами частиц в интервале 40-70 мкм и от 40 до 35 ат.% порошка никеля карбонильного с размерами частиц в интервале 10-40 мкм.

Связь заявленных отличительных признаков с достижением технического результата поясняется следующим. Комбинированное изделие получают напеканием, как правило, в вакууме 100-120·10-4 Па шихты заявленного состава на монолитную часть изделия. Смесь порошков титана и никеля играет роль активирующей добавки, действие которой основано на экзотермической реакции между титаном и никелем, протекающей в процессе спекания в температурном интервале 950-970ºС и ведущей к образованию эвтектического расплава. Образование и капиллярное растекание расплава по поверхностям основной части шихты, а также монолитной части изделия позволяет активировать спекание частиц никелида титана между собой и с монолитной частью за счет твердо-жидкофазного взаимодействия, которое протекает значительно быстрее твердофазного. В результате формируются качественные межчастичные контакты в пористой части изделия, а также качественные контакты пористой и монолитной частей изделия, причем весь процесс протекает в течение 5-7 мин. Таким образом, активированный процесс спекания происходит при меньших температурах, чем при обычном диффузионном спекании, и не требует такой длительной временной выдержки, как при реакционном спекании. Перечисленные факторы позволяют, в итоге, получить прочную пористую часть, прочно связанную с монолитной частью изделия при температуре и длительности процесса, приемлемых для сохранения прочности монолитной части.

Изобретение поясняется фотографиями изделий: протеза суставного отростка нижней челюсти (фиг. 1) и стоматологического имплантата (фиг. 2), полученных напеканием шихты заявленного состава на монолитную часть. Цифрами обозначены: 1 - монолитная часть изделия, несущая основную нагрузку; 2 - пористая часть изделия. Монолитные части изделий функционально несут основную силовую нагрузку жевания. Пористые части изделий предназначены для интеграции в костную ткань. Для длительного функционирования в условиях живого организма и передачи знакопеременной циклической нагрузки от кости на зубы прочность пористой и монолитной частей, а также их соединения должны быть сопоставимы, что и достигается в заявленном изобретении.

Шихта для получения пористого сплава на основе никелида титана содержит в качестве известного компонента порошок никелида титана. Типично используется никелид титана, восстановленный с размерами частиц в интервале 50-100 мкм. Отличие заявляемой шихты состоит в том, что в нее дополнительно введена активирующая добавка в количестве 10-20 вес.% от общего веса шихты, имеющая состав: 60-65 ат.% порошка титана электролитического с размерами частиц в интервале 40-70 мкм и соответственно 40-35 ат.% порошка никеля карбонильного с размерами частиц в интервале 10-40 мкм.

Количество активирующей добавки, количественное соотношение в ней титана и никеля, а также тип и размеры частиц титана и никеля определены экспериментально путем подбора. Диапазон концентраций добавки ограничивается сверху чрезмерной интенсивностью реакции и оплавлением пористой части, снизу - малой эффективностью реакции. Количественное соотношение порошковых компонентов активирующей добавки определяется по максимуму эффективности экзотермической реакции в соответствии с их морфологией и размерами частиц, характерными для типичных и наиболее распространенных торговых марок.

Предлагаемый состав шихты позволяет совместить процессы реакционного и диффузионного спекания путем добавления в основную часть, состоящую из порошка никелида титана, активирующей добавки, представляющей собой смесь порошков титана и никеля. Это позволяет получить оптимальный режим нагрева, при котором температура спекания (950-970ºС) меньше, чем при диффузионном спекании (1270ºС), а время нагрева (5-7 мин) меньше, чем при реакционном (120-180 мин). Наличие реакции между титаном и никелем вызывает появление эвтектического расплава при температурах ниже температур плавления реагентов и продукта реакции. Появление небольшого количества расплава приводит к активации спекания и образованию прочных межчастичных контактов. Таким образом, за счет активирующей добавки снижается температура спекания, благодаря чему практически исключается процесс рекристаллизации монолитной части изделия, выравниваются прочностные характеристики пористой и монолитной части готового изделия, уменьшается вероятность коробления и изменения размеров изделия.

Предложенный состав шихты позволяет производить напекание пористой части на монолитную часть имплантата из никелида титана, при этом пористая часть формируется из частиц никелида титана прочно спеченных между собой, а монолитная часть сохраняет форму, размеры и прочность, приданные ей до напекания пористой части.

С использованием заявленного состава шихты экспериментально выполнены комбинированные конструкции протезов нижней челюсти (фиг. 1) и стоматологических имплантатов (фиг. 2), в которых на основу из монолитного никелида титана, напекали шихту заявленного состава, получая пористую часть изделия. Заявленный состав шихты позволил получить изделия с высокой прочностью составных частей и с прочным сцеплением их друг с другом.

Выбранное направление усовершенствования состава шихты открывает перспективы дальнейшего улучшения свойств спекаемых конструкций, в которых применяются пористые и монолитные части из никелида титана.

Изобретение может быть использовано при получении комбинированных пористо-монолитных имплантатов на основе никелида титана для применения в медицине. Шихта на основе порошка никелида титана содержит активирующую добавку в количестве 10-20 вес.% от общего веса шихты, включающую от 60 до 65 ат.% порошка титана электролитического с размерами частиц в интервале 40-70 мкм и от 40 до 35 ат.% порошка никеля карбонильного с размерами частиц в интервале 10-40 мкм. Технический результат изобретения заключается в уменьшении температуры и времени выдержки до значений, обеспечивающих сохранность механических характеристик монолитной части, наряду с высокой прочностью пористой части и прочной связью между частями. 2 ил.

Шихта для напекания пористой части на монолитную часть имплантата из никелида титана, содержащая порошок никелида титана, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит активирующую добавку в количестве 10-20 вес.%, включающую от 60 до 65 ат.% порошка титана электролитического с размерами частиц в интервале 40-70 мкм и от 40 до 35 ат.% порошка никеля карбонильного с размерами частиц в интервале 10-40 мкм.