RU2479657C1 - Сплав на основе титана - Google Patents
Сплав на основе титана Download PDFInfo
- Publication number
- RU2479657C1 RU2479657C1 RU2012104418/02A RU2012104418A RU2479657C1 RU 2479657 C1 RU2479657 C1 RU 2479657C1 RU 2012104418/02 A RU2012104418/02 A RU 2012104418/02A RU 2012104418 A RU2012104418 A RU 2012104418A RU 2479657 C1 RU2479657 C1 RU 2479657C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- titanium
- iron
- zirconium
- aluminum
- Prior art date
Links
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых в медицине для изготовления деталей эндопротезов и имплантатов, предназначенных для применения в ортопедии, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Предложен сплав, содержащий следующие компоненты, мас.%: алюминий 0,3÷0,7, цирконий 7,0÷15,0, ниобий 1,0÷2,0, кислород 0,2÷0,3, углерод 0,05÷0,15, кремний 0,10÷0,35, железо 0,1÷0,6, гафний не более 1,0, титан - остальное, при этом сумма железа и алюминия не более 1,0 мас.%. Техническим результатом является создание сплава с оптимальным соотношением легирующих элементов, обладающего высокими механическими свойствами, включая значение модуля упругости, одновременно не оказывая негативного влияния на живой организм. 1 табл.
Description
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых в медицине для изготовления деталей эндопротезов и имплантатов, предназначенных для применения в ортопедии, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.
В медицине имплантаты применяются для замещения поврежденных частей тканей или органов человеческого организма. Заменяются поврежденные суставы, сердечные клапаны, поврежденные участки костей и т.д. Традиционно в импланталогии используют металлы, керамику и пластмассу, однако данные материалы нефизиологичны, т.к. они в большой степени взаимодействуют с тканями, переносятся в результате транспортных реакций в другие части тела, изменяют иммунные реакции. Металлические имплантаты удобны в изготовлении и установке, при этом они слабо выводятся из организма и в дальнейшем накапливаются во многих тканях и органах человека. При изготовлении протезов, подвергающихся механическим нагрузкам (например, в тазобедренных и коленных суставах), необходимо сочетание высоких прочностных и пластических свойств материала, а также наличие модуля упругости, близкого к модулю упругости человеческой кости (модуль упругости человеческой кости составляет около 30 ГПа), т.к. несоответствие прочности и упругости материала протеза и кости приводит к изменению напряжения скелета, резорбции имплантата и выходу его из строя. Кроме механических нагрузок, материал протеза подвергается коррозионному воздействию в достаточно агрессивной среде. Хотя скорость коррозии материалов имплантатов довольно низкая, в контакте с организмом человека даже малые количества продукта коррозии могут быть опасны, приводя к различным патологиям иммунных процессов, росту соединительной ткани, появлению инфекции.
По характеру взаимодействия продуктов коррозии с биологическими тканями металлы можно разделить на три группы: Cr, Co, Ni, V - биологически несовместимые (токсичные); Fe, Mo, Al - условно биосовместимые (через капсулу из соединительной ткани); Ti, Zr, Nb, Та, Pt, Si - биосовместимые (инертные).
С учетом специфических требований в последнее время для изготовления металлических имплантатов все большее применение находят титановые сплавы, вытесняя традиционно применяющиеся нержавеющие стали и кобальтохромовые сплавы. Титан имеет преимущества над другими металлами в отношении своей биологической совместимости, легкого веса, механической прочности и коррозионной стойкости. Помимо этого, титан по упругим свойствам ближе к костной ткани. У него в два раза выше, чем у сталей, усталостные свойства. Таким образом, титановые сплавы для изготовления имплантатов могут отвечать следующим требованиям:
1. Высокая прочность и усталость, длительная работоспособность в условиях биологической среды (коррозионная стойкость);
2. Отсутствие нежелательных реакций живой ткани на продукты их износа; способность обрастать костной тканью (биоадгезия);
3. Высокая пластичность и технологичность;
4. Модуль упругости, близкий к модулю упругости человеческой кости;
5. Удовлетворительная свариваемость.
Если к перечисленным преимуществам добавить экономичность изготовления изделий и их сравнительно невысокую стоимость, то титановые сплавы становятся незаменимым материалом для медицинского применения.
Для изготовления имплантатов широко используется титановый сплав Ti-6A1-4V, зарегистрированный стандартом ISO 5832-2 «Имплантаты для хирургии. Металлические материалы. Часть 3». Сплав, содержащий 5,5÷6,75 мас.% алюминия и 3,5÷4,5 мас.% ванадия, обладает удовлетворительными прочностными, пластическими и технологическими свойствами, однако содержит достаточно высокое количество токсичного ванадия, а также характеризуется наличием высокого модуля упругости до 120 ГПа.
Известен сплав на основе титана, используемый для медицинского оборудования, инструментов и деталей, применяемых в травматологии и ортопедии (патент РФ №2293135, публ. 10.02.2007) - прототип. Сплав содержи, мас.%:
Алюминий | 4,7÷6,3 |
Ниобий | 0,4÷0,8 |
Молибден | 1,5÷2,5 |
Цирконий | 0,5÷1,5 |
Углерод | 0,06÷0,12 |
Кислород | 0,08÷0,14 |
Недостатком прототипа является наличие в составе значительного количества условно биосовместимых элементов: алюминия и молибдена.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание титанового сплава, изготовленного при минимальных затратах, обладающего высоким комплексом механических свойств при отсутствии в составе сплава элементов из группы биологически несовместимых элементов и ограничении содержания в составе сплава элементов из группы условно биосовместимых элементов.
Техническим результатом является создание сплава с оптимальным соотношением легирующих элементов, обладающего высокими механическими свойствами, включая значение модуля упругости, одновременно не оказывая негативного влияния на живой организм.
Технический результат достигается за счет того, что в сплав на основе титана, содержащий алюминий, цирконий, ниобий, кислород, углерод, остальное - титан, дополнительно введены кремний, железо и гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий | 0,3÷0,7 |
Цирконий | 7,0÷15,0 |
Ниобий | 1,0÷2,0 |
Кислород | 0,2÷0,3 |
Углерод | 0,05÷0,15 |
Кремний | 0,10÷0,35 |
Железо | 0,1÷0,6 |
Гафний | не более 1,0 |
Титан | остальное |
при этом сумма железа и алюминия не более 1,0 мас.%
В состав сплава введены легирующие элементы из различных групп стабилизаторов: альфа-стабилизаторы: алюминий, кислород, углерод; бета-стабилизаторы: железо, ниобий, кремний; нейтральные упрочнители: цирконий и гафний.
Группа - α-стабилизаторов (Al, O, C).
Алюминий является наиболее эффективным упрочнителем в титановых сплавах, улучшая прочностные свойства сплава. Содержание алюминия в сплаве принято от 0,3 до 0,7%, т.к. содержание алюминия менее 0,3% не приводит к эффекту упрочнения сплава. При содержании алюминия более 0,7% увеличивается количество альфа-фазы, что вызывает повышение модуля упругости. Введение кислорода и углерода в заданных пределах наряду с повышением прочности повышает температуру аллотропического превращения титана и обеспечивает сохранение высокого уровня прочности и пластичности. Более высокие концентрации кислорода и углерода понижают коррозионную стойкость, пластичность и вязкость сплава.
Группа нейтральных упрочнителей (Zr, Hf).
Цирконий, вводимый в сплав как биологически нейтральный элемент, образует с α-титаном широкий ряд твердых растворов, относительно близок к нему по температуре плавления и плотности, уменьшает отрицательное воздействие газовых примесей, в частности кислорода, и измельчает структуру. Легирование цирконием предполагается осуществлять циркониевой губкой, в технологии изготовления которой исключена операция очистки от гафния. Таким образом, введение в сплав чистого гафния не требуется. Подобная технология удешевляет легирующий материал и титановый сплав в целом. Содержание циркония и гафния в указанном диапазоне обеспечивает сочетание высокой прочности и пластичности без негативного влияния на организм человека. Кроме того, содержание циркония в указанных пределах позволяет повысить технологические свойства сплава и производить теплую или холодную деформацию со степенью деформации до 60%.
Группа бета-стабилизаторов (Nb, Fe, Si)
Железо является β-стабилизирующим элементом, повышающим прочность сплава, практически не снижая пластичности. При содержании железа менее 0,1% не обеспечивается достаточный эффект упрочнения, а содержание более 0,6% нежелательно в связи с невысокой биологической совместимостью данного элемента. Добавка ниобия повышает коррозионную стойкость, прочность и ударную вязкость сплава.
По сравнению с прототипом в сплав дополнительно введен еще один β-стабилизатор - кремний, который в заявленных пределах полностью растворяется в α-фазе, обеспечивая упрочнение α-твердого раствора.
Необходимо отметить, что основное количество легирующих элементов в сплаве представлено из группы биосовместимых элементов (нейтральных), а содержание элементов из группы условно биосовместимых ограничено, поэтому сумма железа и алюминия для обеспечения высокой биосовместимости принята не более 1 мас.%.
Кроме того, композиция элементов, введенных в состав сплава и характеризующихся близким или пониженным модулем упругости по отношению к чистому титану, позволяет достичь пониженного (на 7÷10%) модуля упругости по отношению к аналогичным сплавам.
Промышленную применимость сплава подтверждают примеры конкретного выполнения.
Был выплавлен слиток массой 30 кг диаметром 185 мм сплава следующего химического состава:
10.6 мас.% Zr
1.51 мас.% Nb
0.25 мас.% O
0.58 мас.% Al
0.32 мас.% Fe
0.089 мас.% C
0.22 мас.% Si
0,1 мас.% Hf
остальное титан.
Из слитка методом ковки изготовлена заготовка под прокатку в пруток. Затем заготовка прокатана в пруток диаметром 20 мм. Прокатка начиналась в бета-области, затем в альфа + бета-области. Испытаны механические свойства прутков. Результаты приведены в таблице.
Механические свойства прутков из сплава Ti-10.6Zr-1.51Nb-0.58Al-0.25O-0.32Fe-0.089C-0.22Si-0.1Hf | |||||
Режим термообработки | Предел прочности, МПа | Предел текучести, МПа | Относительное удлинение, % | Относительное сужение, % | Модуль упругости, ГПа |
750°C 1 ч, охлаждение на воздухе | 876 | 821 | 22 | 45 | 101,7 |
600°C 1 ч, охлаждение на воздухе | 891 | 832 | 22 | 45 | 100,9 |
(Тпп-30)°C 1 ч, охлаждение в воде, 400°C 1 ч, охлаждение на воздухе | 912 | 799 | 21 | 49 | 103,0 |
(Тпп-30)°C 1 ч, охлаждение в воде, 450°C 1 ч, охлаждение на воздухе | 895 | 797 | 21 | 50 | 102,8 |
Анализ данных из таблицы показывает, что для получения необходимых механических свойств полуфабрикаты из заявляемого сплава достаточно подвергнуть отжигу при температуре 600°C в течение 1 часа. Закалка и последующее старение приводят к повышению прочности, но при этом модуль упругости также повышается, что нежелательно.
Таким образом, предлагаемый сплав обладает высоким комплексом механических свойств и оптимальной биологической совместимостью с живым организмом.
Claims (1)
- Сплав на основе титана, содержащий алюминий, цирконий, ниобий, кислород, углерод, титан - остальное, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний, железо и гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий 0,3÷0,7 Цирконий 7,0÷15,0 Ниобий 1,0÷2,0 Кислород 0,2÷0,3 Углерод 0,05÷0,15 Кремний 0,10÷0,35 Железо 0,1÷0,6 Гафний не более 1,0 Титан Остальное,
при этом сумма железа и алюминия не более 1,0 мас.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012104418/02A RU2479657C1 (ru) | 2012-02-08 | 2012-02-08 | Сплав на основе титана |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012104418/02A RU2479657C1 (ru) | 2012-02-08 | 2012-02-08 | Сплав на основе титана |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2479657C1 true RU2479657C1 (ru) | 2013-04-20 |
Family
ID=49152727
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012104418/02A RU2479657C1 (ru) | 2012-02-08 | 2012-02-08 | Сплав на основе титана |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2479657C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2583972C1 (ru) * | 2014-12-17 | 2016-05-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" Фгуп "Цнии Км "Прометей" | Сплав на основе титана |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2190100A (en) * | 1986-05-07 | 1987-11-11 | Thyssen Edelstahlwerke Ag | A titanium alloy and machine parts made therefrom |
US7166367B2 (en) * | 2004-03-12 | 2007-01-23 | Kobe Steel, Ltd. | Titanium alloy having excellent high-temperature oxidation and corrosion resistance |
RU2293135C2 (ru) * | 2005-04-11 | 2007-02-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Сплав на основе титана |
-
2012
- 2012-02-08 RU RU2012104418/02A patent/RU2479657C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2190100A (en) * | 1986-05-07 | 1987-11-11 | Thyssen Edelstahlwerke Ag | A titanium alloy and machine parts made therefrom |
US7166367B2 (en) * | 2004-03-12 | 2007-01-23 | Kobe Steel, Ltd. | Titanium alloy having excellent high-temperature oxidation and corrosion resistance |
RU2293135C2 (ru) * | 2005-04-11 | 2007-02-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Сплав на основе титана |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2583972C1 (ru) * | 2014-12-17 | 2016-05-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" Фгуп "Цнии Км "Прометей" | Сплав на основе титана |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hanawa | Overview of metals and applications | |
Baltatu et al. | Biocompatible titanium alloys used in medical applications | |
Gepreel et al. | Biocompatibility of Ti-alloys for long-term implantation | |
US5169597A (en) | Biocompatible low modulus titanium alloy for medical implants | |
Roach | Base metal alloys used for dental restorations and implants | |
JP5192382B2 (ja) | 増大した酸素含有量を有していて改善された機械的特性を示すチタン合金 | |
US5545227A (en) | Biocompatible low modulus medical implants | |
JP4845109B2 (ja) | ニッケルフリー高窒素ステンレス鋼、並びにこれを用いた生体用又は医療用のインプラント等、装身具等及び厨房用器具等 | |
Narushima | New-generation metallic biomaterials | |
CN101921929B (zh) | 用于骨科植入的含氧医用β钛合金及其制备方法 | |
US9758846B2 (en) | Super elastic zirconium alloy for biological use, medical instrument and glasses | |
Niinomi | Recent research and development in metallic materials for biomedical, dental and healthcare products applications | |
Abd-Elaziem et al. | Titanium-Based alloys and composites for orthopedic implants Applications: A comprehensive review | |
Kanapaakala et al. | A review on β-Ti alloys for biomedical applications: The influence of alloy composition and thermomechanical processing on mechanical properties, phase composition, and microstructure | |
US8492002B2 (en) | Titanium-based alloy | |
KR20060101715A (ko) | 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재 및 그제조방법 | |
CN101760668B (zh) | 一种低弹性模量的生物医用钛合金 | |
Lampman | Titanium and its alloys for biomedical implants | |
Mohammed et al. | Titanium and its alloys, the imperative materials for biomedical applications | |
RU2479657C1 (ru) | Сплав на основе титана | |
CN101081312A (zh) | 生物医用β-钛合金材料 | |
JP4212945B2 (ja) | 機能性医療機器及びその製造方法 | |
Biesiekierski et al. | Material selection for medical devices | |
JP2001512529A (ja) | ニッケル不含のオーステナイト系コバルトベース合金 | |
CN106591628B (zh) | 一种具有低杨氏模量的Ti-Mn-Nb三元合金 |