Способ получения проницаемого пеноматериала из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий Российский патент 2019 года по МПК C22C1/08 C22C14/00 A61L27/06 

Описание патента на изобретение RU2687352C1

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).

Похожие патенты RU2687352C1

название год авторы номер документа
Способ получения пористых и проницаемых заготовок кольцевой формы из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий 2021
  • Лукашевич Константин Евгеньевич
  • Дубинский Сергей Михайлович
  • Шереметьев Вадим Алексеевич
  • Прокошкин Сергей Дмитриевич
RU2765044C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК СВЕРХУПРУГИХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2022
  • Касимцев Анатолий Владимирович
  • Юдин Сергей Николаевич
  • Володько Сергей Сергеевич
  • Алимов Иван Александрович
  • Маркова Галина Викторовна
RU2792355C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПАКТИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА ЧУГУНА НА ОСНОВЕ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Новомейский Юрий Донатович
  • Новомейский Михаил Юрьевич
  • Князев Алексей Сергеевич
  • Гордеев Александр Вячеславович
RU2522926C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2014
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Гращенков Денис Вячеславович
  • Ефимочкин Иван Юрьевич
  • Родионов Антон Игоревич
  • Черепанин Роман Николаевич
  • Базылева Ольга Анатольевна
  • Туренко Елена Юрьевна
RU2563084C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУТКОВ ИЗ СВЕРХУПРУГИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Ti-Zr-Nb 2021
  • Шереметьев Вадим Алексеевич
  • Лукашевич Константин Евгеньевич
  • Кудряшова Анастасия Александровна
  • Галкин Сергей Павлович
  • Прокошкин Сергей Дмитриевич
  • Андреев Владимир Александрович
  • Браиловский Владимир Иосифович
RU2753210C1
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЛИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МИШЕНЕЙ РАСПЫЛЕНИЯ И АНОДОВ РЕНТГЕНОВСКИХ ТРУБОК 2006
  • Циммерманн Штефан
  • Папп Уве
  • Келлер Ханс
  • Миллер Стивен Альфред
RU2418886C2
Низкомодульный металломатричный композит на основе среднеэнтропийного сплава 2022
  • Озеров Максим Сергеевич
  • Соколовский Виталий Сергеевич
  • Степанов Никита Дмитриевич
  • Жеребцов Сергей Валерьевич
RU2795128C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ 1993
  • Николаев А.Г.
  • Левашов Е.А.
  • Поварова К.Б.
  • Черняков С.В.
  • Егорычев К.Н.
RU2032496C1
СПОСОБ ПОКРЫТИЯ ПОВЕРХНОСТИ СУБСТРАТА И ПРОДУКТ С НАНЕСЕННЫМ ПОКРЫТИЕМ 2006
  • Циммерманн Штефан
  • Папп Уве
  • Крайе Хайнрих
  • Шмидт Тобиас
RU2434073C9
Сплав на основе титана и способ его обработки для создания внутрикостных имплантатов с повышенной биомеханической совместимостью с костной тканью 2019
  • Конопацкий Антон Сергеевич
  • Дубинский Сергей Михайлович
  • Шереметьев Вадим Алексеевич
  • Прокошкин Сергей Дмитриевич
  • Браиловский Владимир Иосифович
RU2716928C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 687 352 C1

Реферат патента 2019 года 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.

Формула изобретения RU 2 687 352 C1

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

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2687352C1

CN 106801163 A, 06.06.2017
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ПОРИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПСЕВДОСПЛАВА НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМА 2009
  • Белов Владимир Юрьевич
  • Баранов Глеб Викторович
  • Качалин Николай Иванович
  • Малинов Владимир Иванович
RU2414329C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ПОРИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПСЕВДОСПЛАВА НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМА 2010
  • Белов Владимир Юрьевич
  • Баранов Глеб Викторович
  • Качалин Николай Иванович
  • Малинов Владимир Иванович
RU2444418C1
WO 2000068448 A1, 16.11.2000
WO 1995025183 A1, 21.09.1995
KR 101633660 B1, 27.06.2016
US 5169597 A1, 08.12.1992
US 20170216494 A1, 03.08.2017.

RU 2 687 352 C1

Авторы

Шереметьев Вадим Алексеевич

Дубинский Сергей Михайлович

Казакбиев Алибек Магарамович

Лукашевич Константин Евгеньевич

Прокошкин Сергей Дмитриевич

Браиловский Владимир Иосифович

Даты

2019-05-13Публикация

2018-12-25Подача