Разработка наноструктурных титановых материалов для медицины (α, псевдо-α и β-сплавы)

   Формирование в биомедицинских титановых сплавах наноструктурного (НС) состояния позволяет значительно увеличить механические характеристики (прочность, пластичность, усталостная прочность), сохранить относительно низкий модуль упругости (для бета-титановых сплавов), улучшить биосовместимость за счет создания специфического рельефа на поверхности НС сплавов [1]. Данные преимущества создают условия для разработки улучшенных конструкций имплантатов с меньшим поперечным сечением и облегченным весом, обладающих такой же прочностью, что и обычные конструкции [1,2]. В целом, это способствует снижению травмируемости тканей пациента, уменьшению сроков реабилитации послеоперационных больных, увеличению срока службы.

Наноструктурирование титановых сплавов для  авиа- и  энергомашиностроения (α+β сплавы)

    Создание регламентированной ультрамелкозернистой структуры в двухфазных титановых сплавах позволяет увеличить прочность и сопротивление усталости не менее чем на 40%, что увеличивает эксплуатационный ресурс изделий из них не менее чем в 2 раза [3,4]. Уменьшение размера зерен/фаз менее 1 мкм приводит также к повышению таких служебных свойств, как износостойкость, длительная прочность при эксплуатационных температурах [5]. Низкотемпературная и/или высокоскоростная сверхпластичность является технологически эффективной для высокоточного формообразования изделий, имеющих сложный профиль [3,6].

Свойства различных наноструктурных титановых сплавов:

Наименованиясплавов
Прутки (длиной 0,5-1 м) с диаметром,ммПластины
шириной 10-11 мм
толщиной 2-3 мм
E,ГПа
Условный предел
текучести 0,2, МПа
Предел прочности
на растяжение,
МПа
Относительное
удлинение,
%
Усталостная прочность,
s1, МПа ,10 7циклов
(в случае прутков)
Ti Grade 46
3

1051260
1300
1300
1350
10
12
630
Ti-6Al-4V20+1151480151010740
Ti-6Al-7Nb (IMI 367)
12
6
+1101400
1520
1440
1590
8
7
680
Ti-15Mo12
5
+85
100
1460
1530
1480
1570
10
10
640
710

Изделия из наноструктурных титановых сплавов для авиационной промышленности

Сравнение микроструктуры и свойств обычных (крупнозернистых) и наноструктурных титановых сплавов

   Формирование ультрамелкозернистой структуры в сплаве Ti-6Al-4V с помощью ИПД приводит к повышению предела прочности до 1500 МПа и предела усталостной выносливости до 750 МПа.

Исходный пруток из сплава Ti-6Al-4V                        Наноструктурный пруток из сплава Ti-6Al-4V

Новый технологический способ получения изделий сложной формы из наноструктурных титановых сплавов

Традиционная изотермическая объемная штамповка

Новый способ изотермическойштамповки наноструктурных сплавов

• Предел прочности повышается в 1,5 раза;
• Предел усталостной выносливости повышается на 30 %;
• Высокая технологическая пластичностьпри температурах ниже на 200…300°С,чем у традиционных титановых сплавов

Опытные импланты из наноструктурных титановых материалов с усовершенствованной конструкцией и повышенной функциональностью

Использование наноструктурного
технически чистого титана
для восстановления функции позвоночника

Имплантаты-пластины и инструменты для остеосинтеза трубчатых костей

Зубные имплантаты улучшенной конструкции:
Слева- Nanoimplant®
(новый имплантат из нано-титана) 2,4 мм
Справа  —Timplant®
(стандартный имплантат) 3,5 мм
Компания Timplant, Чешская Республика

Основные публикации:
1. Валиев Р.З., Семенова И.П., Латыш В.В. и др. Наноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработки и перспективы коммерциализации. Российские нанотехнологии (2008), Т.3, № 9–10, с. 80-89.
2. Serra, G., Morais, L., Elias, C.N., Semenova, I.P., Valiev, R., Salimgareeva, G., Pithon, M., Lacerda, R. Nanostructured severe plastic deformation processed titanium for orthodontic mini-implants (2013) Materials Science and Engineering C  33  (7)  PP. 4197 — 4202.
3. Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Наноструктурные титановые сплавы: новые разработки и перспективы применения, Российские нанотехнологии (2014) том 9, № 5-6, с.320-333.
4. Alexander V. Polyakov, Irina P. Semenova, Yi Huang, Ruslan Z. Valiev and Terence G. Langdon, Fatigue life and failure characteristics of an ultrafne-grained Ti–6Al–4V alloy processed by ECAP and extrusion (2014), Advanced Engineering Materials, V. 16, No. 8. PP. 1038-1043.
5. Semenova I.P., Raab G.I., Golubovskiy E.R., Valiev R.R.  Service properties of ultrafine-grained Ti-6Al-4V alloy at elevated temperature  (2013) Journal of Materials Science  48  (13)  PP. 4806 – 4812.
6. Semenova I.P., Raab G.I., Polyakova V.V., Izmailova N.F., Pavlinich S.P., Valiev R.Z. Ultrafine-grained Ti-6Al-4V-alloy used for production of complex-shaped articles with enhanced service properties (2012) Reviews on Advanced Materials Science  31 (2)  PP. 179 – 184.