[go: up one dir, main page]

RU2383654C1 - Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него - Google Patents

Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него Download PDF

Info

Publication number
RU2383654C1
RU2383654C1 RU2008141956/02A RU2008141956A RU2383654C1 RU 2383654 C1 RU2383654 C1 RU 2383654C1 RU 2008141956/02 A RU2008141956/02 A RU 2008141956/02A RU 2008141956 A RU2008141956 A RU 2008141956A RU 2383654 C1 RU2383654 C1 RU 2383654C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
grains
deformation
pure titanium
technically pure
titanium
Prior art date
Application number
RU2008141956/02A
Other languages
English (en)
Inventor
Руслан Зуфарович Валиев (RU)
Руслан Зуфарович Валиев
Ирина Петровна Семенова (RU)
Ирина Петровна Семенова
Евгения Борисовна Якушина (RU)
Евгения Борисовна Якушина
Гульназ Халифовна Салимгареева (RU)
Гульназ Халифовна Салимгареева
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "НаноМет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to RU2008141956/02A priority Critical patent/RU2383654C1/ru
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет", ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "НаноМет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Priority to CN2009801481665A priority patent/CN102232124B/zh
Priority to JP2011533134A priority patent/JP5536789B2/ja
Priority to CA2741524A priority patent/CA2741524C/en
Priority to AU2009307113A priority patent/AU2009307113B2/en
Priority to PCT/RU2009/000556 priority patent/WO2010047620A2/ru
Priority to US13/122,063 priority patent/US8919168B2/en
Priority to EP09822257.3A priority patent/EP2366808B1/en
Priority to KR1020117011609A priority patent/KR101351143B1/ko
Priority to BRPI0920298A priority patent/BRPI0920298A2/pt
Priority to ES09822257.3T priority patent/ES2497508T3/es
Application granted granted Critical
Publication of RU2383654C1 publication Critical patent/RU2383654C1/ru

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02Inorganic materials
    • A61L27/04Metals or alloys
    • A61L27/06Titanium or titanium alloys
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C14/00Alloys based on titanium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/12Nanosized materials, e.g. nanofibres, nanoparticles, nanowires, nanotubes; Nanostructured surfaces
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S623/00Prosthesis, i.e. artificial body members, parts thereof, or aids and accessories therefor
    • Y10S623/924Material characteristic
    • Y10S623/925Natural
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S72/00Metal deforming
    • Y10S72/70Deforming specified alloys or uncommon metal or bimetallic work
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12All metal or with adjacent metals

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Forging (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области наноструктурных материалов с ультрамелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами, которые могут быть использованы для изготовления медицинских имплантатов. Технически чистый титан для биомедицины имеет структуру из нанокристаллических зерен альфа-фазы с гексагональной плотноупакованной решеткой, в которой объемная доля зерен с размером 0.1…0.5 мкм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях составляет не менее 90%, причем более чем 60% зерен имеют большеугловые границы, разориентированные относительно соседних зерен на углы от 15 до 90°. Способ получения прутка из технически чистого титана с нанокристаллической структурой для биомедицины включает интенсивную пластическую деформацию заготовки равноканальным угловым прессованием при температуре не выше 450°С с суммарной истинной накопленной деформацией е≥4 и последующую термомеханическую обработку со степенью деформации от 40 до 80%. В процессе термомеханической обработки осуществляют пластическую деформацию при постепенном снижении температуры в интервале Т=450…350°С и скорости деформации 10-2…10-4 с-1. Полученный материал имеет повышенную прочность, усталостную долговечность и биосовместимость. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области наноструктурных материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой и повышенными механическими и биомедицинскими свойствами, в частности титана и его сплавов, которые могут быть использованы для изготовления медицинских имплантатов, применяемых в хирургии, ортопедии, травматологии и стоматологии, а также к технологии обработки указанных материалов для формирования структур, обеспечивающих определенные механические и биомедицинские свойства.
Известно, что прочность, надежность и долговечность изделия-имплантата зависит от химического состава, механических и биомедицинских свойств материала, из которого он изготовлен. Вместе с тем, в установлении свойств конкретного материала, таких как прочность, пластичность, усталость, стойкость к коррозии, биосовместимость, ключевую роль играет микроструктура, которая в зависимости от способа обработки может иметь различные фазовый состав, размер и форму зерен, разориентацию их границ, плотность дислокаций и других дефектов кристаллической решетки и др. [Штремель М.А. Прочность сплавов. М.: Металлургия, 1982. Ч.1: Дефекты решетки. 280 с; Штремель М.А. Прочность сплавов. 4.2. Деформация. М., МИСиС, 1997, 527 с.].
Технически чистый титан имеет широкое применение для изготовления имплантатов в стоматологии и травматологии благодаря его высокой биосовместимости. [D.M.Brunette, P.Tengvall, M.Textor, P.Thomsen, "Titanium in medicine", Springer, (2001) р.1019]. Например, в патенте (РФ №2146535, А61С 8/00 A61L 27/00 от 20.03.2000 г.) описан способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата из титана. Поскольку технически чистый титан обладает невысокими прочностными свойствами, в данном случае для повышения его механической прочности используется многослойное биоактивное покрытие, состоящее из пяти разных слоев, наносимых последовательно методом плазменного напыления.
Повышенная механическая прочность имплантата достигается также использованием высоколегированных сплавов на основе титана. Например, в патенте (KR 20020074843, A61L 27/06; A61L 27/00; дата публикации 04.10.2002) описан способ изготовления костного съемного протеза из титановых сплавов Ti6A14V, Ti5Al12.5Sn, Ti3Al13V11Cr, Ti15Mo5Zr3Ti или Ti6Al12MbTa. Однако высоколегированные титановые сплавы по показателям биосовместимости значительно ниже технически чистого титана. Длительное присутствие в организме человека имплантатов из данных сплавов может привести к накоплению токсичных элементов, например ванадия и хрома [D.M.Brunette, P.Tengvall, М.Textor, P.Thomsen, "Titanium in medicine", Springer (2001), p.1019]. Поэтому для повышения биосовместимости и оптимизации процесса остеоинтеграции на поверхность имплантатов из титановых сплавов наносят биоинертное покрытие порошком гидроксиапатита кальция в вакуумной печи при нагреве до температур 800…1000°С.
Таким образом, в описанных патентах технически чистый титан используется для изготовления имплантатов, которые могут в течение длительного времени находиться в организме человека, однако его основным недостатком является невысокая механическая прочность. В этой связи для повышения прочностных характеристик имплантата обычно используются специальные биосовместимые покрытия поверхности изделия или высоколегированные титановые сплавы, обладающие высокой твердостью, прочностью, усталостной долговечностью. При этом биосовместимость имплантатов из титановых сплавов достигается за счет применения биосовместимых покрытий. В целом, применение дорогостоящих титановых сплавов, а также процессов нанесения на поверхность изделий биопокрытий приводит к повышению себестоимости изготовления имплантата.
Известно, что формирование ультрамелкозернистых (УМЗ) структур, содержащих преимущественно большеугловые границы, позволяет достичь уникального сочетания прочности, пластичности, усталостной долговечности в металлах и сплавах [Р.З.Валиев, И.В.Александров. Объемные наноструктурные металлические материалы. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.].
Известен технически чистый титан с УМЗ-структурой, полученной комбинированными методами интенсивной пластической деформации [Садикова Г.Х., Латыш В.В., Семенова И.П., Валиев Р.З. «Влияние интенсивной пластической деформации и термомеханической обработки на структуру и свойства титана». Металловедение и термическая обработка металлов. №11 (605), 2005, стр.31-34]. Микроструктура в поперечном сечении заготовки характеризуется наличием равноосных зерен и субзерен альфа-фазы с гексагонально плотноупакованной (ГПУ) решеткой со средним размером около 200 нм и высокой плотностью дислокаций. Указанное техническое решение принято в качестве прототипа.
Однако структура в продольном сечении заготовки, исследованная по длине прутка в нескольких областях, имеет вытянутые вдоль направления деформации зерна α-фазы с соотношением длины и ширины (коэффициентом формы зерна) 6:1. Внутренняя область удлиненных зерен фрагментирована преимущественно малоугловыми дислокационными границами. Материал с такой структурой характеризуется анизотропией свойств в продольном и поперечном сечениях заготовки, что отрицательно сказывается на долговечности медицинских имплантатов.
Наиболее близким техническим решением по способу получения наноструктуры является способ обработки заготовки из технического титана (патент РФ №2175685, C22F 1/18, опубликованный 27.07.2000 г.), в котором формирование высокопрочного состояния достигается путем измельчения микроструктуры методом равноканального углового прессования (РКУП) с последующей термомеханической обработкой, включающей чередование холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250…500°С в течение 0.2-2 часов. В результате в заготовке формируется ультрамелкозернистая структура с размером зерен около 0.1 мкм.
Недостатками данного способа является высокая степень анизотропии структуры и свойств материала из-за неоднородной морфологии зерен в продольном и поперечном сечении заготовки, большая доля малоугловых границ. Такой материал обладает повышенной прочностью, но ограниченной пластичностью, не обеспечивающей высокой стойкости к усталостному разрушению.
Задачей изобретения является разработка технически чистого титана, обеспечивающего повышенные свойства в отношении механической прочности, стойкости к усталостному разрушению, биомедицинских свойств за счет нанокристаллической структуры, а также эффективного способа его получения.
Поставленная задача решается тем, что технически чистый титан для биомедицинских целей, имеющий ультрамелкозернистую структуру альфа-фазы с гексагонально плотноупакованной решеткой, отличается от прототипа наличием наноструктуры, в которой объемная доля зерен с размером 0.1…0.5 мкм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях составляет не менее 90%; причем более чем 60% зерен имеют большеугловые границы, разориентированные относительно соседних зерен на углы от 15 до 90°.
Поставленная задача решается способом получения нанокристаллической структуры в объеме прутка из технически чистого титана, включающим интенсивную пластическую деформацию равноканальным угловым прессованием при температуре не выше 450°С с суммарной истинной накопленной деформацией е≥4 и последующую термомеханическую обработку со степенью деформации от 40 до 80%, в котором в отличие от прототипа в процессе термомеханической обработки осуществляют пластическую деформацию при постепенном снижении температуры в интервале Т=450…350°С и скорости деформации 10-2…10-4 с-1.
Предложенный способ позволяет получить более высокий уровень механических и усталостных свойств, который обусловлен основными особенностями наноструктуры, сформированной в технически чистом титане, в соответствии с предложенным способом.
Во-первых, повышение прочности титана обусловлено очень маленьким размером зерна (0.1…0.5 мкм) в структуре, что обеспечивает увеличение напряжения течения при пластической деформации согласно известному соотношению Холла-Петча [Большие пластические деформации и разрушение металлов. Рыбин В.В. М.: Металлургия, 1986, 224 с.]. Значительное повышение прочности достигается также тем, что именно болыпеугловые границы зерен, общая доля которых не менее 60%, в сравнении с малоугловыми и специальными границами обеспечивают наибольший вклад в упрочнение [Р.З.Валиев, И.В.Александров. Объемные наноструктурные металлические материалы. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.]. Вместе с тем в процессе пластической деформации (например, при растяжении образцов) зерна в данном размерном диапазоне с большеугловыми разориентировками границ способны проявлять зернограничное проскальзывание (ЗГП). ЗГП, как дополнительный механизм деформации, способствует обеспечению пластических свойств материала [Р.З.Валиев, И.В.Александров. Объемные наноструктурные металлические материалы. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.]. При этом формирование зерен с коэффициентом формы не более 2 (соотношение ширины и длины зерна 1:2) снижает неоднородность пластического течения металла, уровень микронапряжений, тем самым предотвращает раннюю локализацию деформации, приводящую к разрушению материала. Описанные выше структурные изменения материала реализуются предложенным способом обработки при указанных температурно-скоростных режимах.
Известно, что УМЗ-структура технически чистого титана обеспечивает его повышенную биосовместимость [D.M.Brunette, P.Tengvall, М.Textor, Р.Thomsen, "Titanium in medicine", Springer (2001), p.1019].
В целом, формирование описанной выше нанокристаллической структуры в технически чистом титане в предложенной совокупности признаков изобретения приводит к одновременному повышению прочности и пластичности и, следовательно, к повышению сопротивления усталостному разрушению, а также повышению биосовместимости.
Изобретение реализуют следующим образом.
В качестве заготовки используют пруток из технически чистого титана. На первом этапе обработки проводится РКУП заготовки при температуре не выше 450°С за 4 прохода для достижения истинной накопленной деформации е≥4 в штамповой оснастке с углом пересекающихся каналов ψ=90°С. При этом заготовку после каждого прохода поворачивают вокруг своей продольной оси по часовой стрелке на угол 90° для обеспечения равномерности проработки структуры. На данном этапе происходит основное измельчение микроструктуры в объеме заготовки без изменения ее размеров. На начальных стадиях пластической деформации (е=1 после первого прохода РКУП) исходные зерна фрагментируются за счет образования деформационных двойников и ячеек с преимущественно малоугловыми дислокационными границами. С увеличением истинной накопленной деформации до е=4 (после 4 прохода РКУП) в структуре образуются новые двойники, в процессе чего происходит дальнейшая фрагментация зерен. Одновременно дислокационные стенки ячеек становятся более узкими и упорядоченными, увеличивается угол их разориентации, что способствует трансформации ячеистой структуры в зеренную. В результате эволюции структуры в процессе РКУП в титане формируется зеренно/субзеренная структура, характеризующаяся сильно неравновесными границами и высокой плотностью зернограничных и решеточных дислокаций с размером зерен в диапазоне 0.5…0.7 мкм.
После РКУП заготовки подвергают термомеханической обработке, в процессе которой осуществляют пластическую деформацию при постепенном снижении температуры в интервале Т=450…350°С с общей накопленной деформацией от 40 до 80%, скорость деформации варьируется в интервале 10-2…10-4 с-1, т.е. в температурно-скоростных условиях, близких к условиям сверхпластичности материала. Пластическая деформация в описанных температурно-скоростных условиях может быть реализована такими методами, как теплая прокатка, одноосная экструзия, объемная штамповка. Сочетание пластической деформации и нагрева способствует дальнейшей эволюции полученной после РКУП структуры: трансформации субзеренных границ в зеренные, тем самым увеличению доли большеугловых границ; формированию новых зерен, снижению плотности решеточных дислокаций за счет одновременно протекающих процессов возврата и динамической рекристаллизации.
Таким образом, в результате комбинированной обработки в технически чистом титане формируется нанокристаллическая структура, в которой до 90% составляют зерна со средним размером 100…500 нм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно-перпендикулярных плоскостях, из них более 60% зерен имеют большеугловые границы.
Пример конкретной реализации изобретения
В качестве исходной заготовки использовали пруток из технически чистого титана марки CP Grade 4 диаметром 40 мм и длиной 150 мм. Данную заготовку подвергали РКУП при температуре 400°С за 4 прохода в штамповой оснастке с углом пересекающихся каналов ψ=90°C, при этом заготовку после каждого прохода поворачивали вокруг своей продольной оси по часовой стрелке на угол 90°. Затем заготовку вынули из оснастки, охладили до комнатной температуры, после чего подвергли токарной обработке для снятия дефектного слоя.
После РКУП заготовку подвергали термомеханической обработке, в процессе которой осуществляли пластическую деформацию теплой прокаткой при постепенном снижении температуры в интервале Т=450…350°С с общей накопленной деформацией 80%, скорость деформации составляла примерно 10-3 с-1. В результате такой обработки получили пруток диаметром ~7 мм и длиной ~3000 мм.
Из данного прутка были изготовлены образцы для исследования микроструктуры, которое проводилось на микроскопе JEM-100 В методом просвечивающей электронной микроскопии. Образцы для исследований были вырезаны электроэрозионным методом в виде пластин в поперечном и продольном сечениях прутка. Для приготовления тонких фольг пластины подвергались механическому утонению до толщины 100 мкм и последующему электролитическому полированию на установке Tenupol-5 (Struers) при комнатной температуре в электролите, состоящем из хлорной кислоты (HClO4), бутанола (С4Н9ОН) и метанола (СН3ОН).
На фиг.1 показана схема разрезки прутка: плоскость XY - поперечное сечение заготовки, плоскость ZX - продольное сечение. Микроструктура прутка иллюстрирована фотографиями на фиг.2 и 3 - в поперечном сечении, на фиг.4 - в продольном сечении. На фиг.2 видно, что размер зерна (1) в поперечном сечении прутка составляет в среднем 150 нм. На фиг.3 показан тройной стык (2) зерен, имеющих большеугловые границы (3). На фиг.4 видно, что в продольном сечении прутка обнаружены отдельные зерна (4), имеющие удлиненную форму, однако соотношение их ширины и длины не более чем 2:1.
В таблице представлены результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре образцов, вырезанных из прутка технически чистого титана Grade 4, полученного предложенным способом. В качестве сравнения приведены результаты механических испытаний образцов из технически чистого титана, полученного в соответствии с прототипом [Садикова Г.Х., Латыш В.В., Семенова И.П., Валиев Р.З. «Влияние интенсивной пластической деформации и термомеханической обработки на структуру и свойства титана». Металловедение и термическая обработка металлов, №11 (605), 2005, стр.31-34].
Механические свойства технически чистого титана.
№ п/п Состояние полуфабриката σB, МПа σ0,2, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % σ-1 (предел выносливости), МПа N=107 циклов
1 Пруток Ti с ультрамелкозернистой структурой в соответствии с прототипом 1150 1100 11 56 500
2 Пруток Ti Grade 4 ⌀ 7 мм с наноструктурой в соответствии с настоящим изобретением 1330±10 1280±20 12±2 50±2 640
Из таблицы видно, что механические свойства наноструктурного титана, полученного предложенным способом, значительно выше, чем свойства ультрамелкозернстого титана, полученного в соответствии с прототипом.
Были проведены также эксперименты по подсаживанию человеческих остеобластовых клеток CRL - 11372 на поверхности обычных крупнозернистых и наноструктурных образцов из коммерчески чистого титана и сплава Ti-6Al-4V. Было показано, что адгезия остеобластовых клеток для наноструктурного состояния значительно выше по сравнению с крупнозернистым состоянием для обоих материалов (76% и 15% соответственно).
Исследования поведения клеток показывают, что колонизация фибробластовых клеток на поверхности титана существенно возрастает после наноструктурирования. Процент оккупированной клетками поверхности обычного титана составил 53% после 72 часов в отличие от 87% - для наноструктурного титана [www.timplant.cz]. Эти исследования указывают на более высокую скорость остеоинтеграции на наноструктурном титане по сравнению с материалом в обычном крупнозернистом состоянии.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет сформировать в технически чистом титане нанокристаллическую структуру, обеспечивающую материалу повышенную прочность, усталостную долговечность и биосовместимость.

Claims (2)

1. Технически чистый титан для биомедицины, имеющий структуру из нанокристаллических зерен альфа-фазы с гексагональной плотноупакованной решеткой, характеризующийся тем, что в структуре объемная доля зерен с размером 0,1…0,5 мкм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях составляет не менее 90%, причем более чем 60% зерен имеют болыпеугловые границы, разориентированные относительно соседних зерен на углы от 15 до 90°.
2. Способ получения прутка из технически чистого титана с нанокристаллической структурой для биомедицины, включающий интенсивную пластическую деформацию заготовки равноканальным угловым прессованием при температуре не выше 450°С с суммарной истинной накопленной деформацией е≥4 и последующую термомеханическую обработку со степенью деформации от 40 до 80%, отличающийся тем, что в процессе термомеханической обработки осуществляют пластическую деформацию при постепенном снижении температуры в интервале Т=450…350°С и скорости деформации 10-2…10-4 с-1.
RU2008141956/02A 2008-10-22 2008-10-22 Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него RU2383654C1 (ru)

Priority Applications (11)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008141956/02A RU2383654C1 (ru) 2008-10-22 2008-10-22 Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него
JP2011533134A JP5536789B2 (ja) 2008-10-22 2009-10-20 生体臨床医学用のナノ組織化純チタンとそれを利用したロッド制作方法
CA2741524A CA2741524C (en) 2008-10-22 2009-10-20 Nanostructured commercially pure titanium for biomedicine and a method for producing a rod therefrom
AU2009307113A AU2009307113B2 (en) 2008-10-22 2009-10-20 Commercially pure nanostructured titanium for biomedicine and a method for making a bar thereof
CN2009801481665A CN102232124B (zh) 2008-10-22 2009-10-20 生物医学用纳米结构工业纯钛及使用其制造钛棒的一种方法
PCT/RU2009/000556 WO2010047620A2 (ru) 2008-10-22 2009-10-20 Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него
US13/122,063 US8919168B2 (en) 2008-10-22 2009-10-20 Nanostructured commercially pure titanium for biomedicine and a method for producing a rod therefrom
EP09822257.3A EP2366808B1 (en) 2008-10-22 2009-10-20 Commercially pure nanostructural titanium for biomedicine and a method for making a bar thereof
KR1020117011609A KR101351143B1 (ko) 2008-10-22 2009-10-20 생물의약용 상업적 순수 나노구조 티타늄 및 이의 막대를 제조하는 방법
BRPI0920298A BRPI0920298A2 (pt) 2008-10-22 2009-10-20 titanio nanoestruturado comercialmente puro para biomedicina e metodo de fabricacao de hastes de titanio comercialmente puro
ES09822257.3T ES2497508T3 (es) 2008-10-22 2009-10-20 Titanio nanoestructural comercialmente puro para biomedicina y método para elaborar una varilla del mismo material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008141956/02A RU2383654C1 (ru) 2008-10-22 2008-10-22 Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2383654C1 true RU2383654C1 (ru) 2010-03-10

Family

ID=42119869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008141956/02A RU2383654C1 (ru) 2008-10-22 2008-10-22 Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него

Country Status (11)

Country Link
US (1) US8919168B2 (ru)
EP (1) EP2366808B1 (ru)
JP (1) JP5536789B2 (ru)
KR (1) KR101351143B1 (ru)
CN (1) CN102232124B (ru)
AU (1) AU2009307113B2 (ru)
BR (1) BRPI0920298A2 (ru)
CA (1) CA2741524C (ru)
ES (1) ES2497508T3 (ru)
RU (1) RU2383654C1 (ru)
WO (1) WO2010047620A2 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2464116C1 (ru) * 2011-03-15 2012-10-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет" (ГОУ ВПО ТГУ) Способ получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой
RU2503733C1 (ru) * 2012-11-14 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы и способ получения прутка из него
RU2544218C2 (ru) * 2010-12-22 2015-03-10 Сандвик Интеллекчуал Проперти Аб Способ получения нанодвойникованного титанового материала с помощью литья
RU2562591C1 (ru) * 2014-04-25 2015-09-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Способ изготовления длинномерных металлических прутков с нанокристаллической структурой для медицинских изделий (варианты)
RU2823221C1 (ru) * 2023-05-11 2024-07-22 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук Способ комбинированной обработки титана для биомедицинского применения

Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040221929A1 (en) 2003-05-09 2004-11-11 Hebda John J. Processing of titanium-aluminum-vanadium alloys and products made thereby
US7837812B2 (en) 2004-05-21 2010-11-23 Ati Properties, Inc. Metastable beta-titanium alloys and methods of processing the same by direct aging
US10053758B2 (en) 2010-01-22 2018-08-21 Ati Properties Llc Production of high strength titanium
US9255316B2 (en) 2010-07-19 2016-02-09 Ati Properties, Inc. Processing of α+β titanium alloys
US8613818B2 (en) * 2010-09-15 2013-12-24 Ati Properties, Inc. Processing routes for titanium and titanium alloys
US10513755B2 (en) 2010-09-23 2019-12-24 Ati Properties Llc High strength alpha/beta titanium alloy fasteners and fastener stock
AT510770B1 (de) * 2010-11-29 2015-01-15 Ait Austrian Inst Technology Verfahren zur herstellung eines gegenstandes aus einem metall oder einer legierung, daraus hergestellter gegenstand sowie presswerkzeug hierfür
US8652400B2 (en) 2011-06-01 2014-02-18 Ati Properties, Inc. Thermo-mechanical processing of nickel-base alloys
KR101414505B1 (ko) * 2012-01-11 2014-07-07 한국기계연구원 고강도 및 고성형성을 가지는 티타늄 합금의 제조방법 및 이에 의한 티타늄 합금
CN103484805B (zh) * 2012-06-07 2015-09-09 株式会社神户制钢所 钛板及其制造方法
CN103574273A (zh) * 2012-08-07 2014-02-12 江苏天工钛业科技有限公司 一种钛棒
JP5955969B2 (ja) * 2012-09-04 2016-07-20 博己 三浦 部材の製造方法および生体材料
PL222390B1 (pl) * 2012-12-11 2016-07-29 Inst Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk Sposób wytwarzania nanokrystalicznego tytanu, zwłaszcza na implanty medyczne, oraz tytanowy implant medyczny
US9869003B2 (en) 2013-02-26 2018-01-16 Ati Properties Llc Methods for processing alloys
US9192981B2 (en) 2013-03-11 2015-11-24 Ati Properties, Inc. Thermomechanical processing of high strength non-magnetic corrosion resistant material
US9777361B2 (en) 2013-03-15 2017-10-03 Ati Properties Llc Thermomechanical processing of alpha-beta titanium alloys
US20160108499A1 (en) * 2013-03-15 2016-04-21 Crs Holding Inc. Nanostructured Titanium Alloy and Method For Thermomechanically Processing The Same
US20140271336A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Crs Holdings Inc. Nanostructured Titanium Alloy And Method For Thermomechanically Processing The Same
US10822670B2 (en) * 2013-06-14 2020-11-03 The Texas A&M University System Controlled thermal coefficient product system and method
US11111552B2 (en) 2013-11-12 2021-09-07 Ati Properties Llc Methods for processing metal alloys
CN103572088B (zh) * 2013-11-27 2015-09-09 山东建筑大学 具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料及其制备方法
CN104846363B (zh) * 2014-02-14 2018-08-10 宝山钢铁股份有限公司 一种纳米结构纯钛板的制备方法
FR3024160B1 (fr) * 2014-07-23 2016-08-19 Messier Bugatti Dowty Procede d'elaboration d`une piece en alliage metallique
US10094003B2 (en) 2015-01-12 2018-10-09 Ati Properties Llc Titanium alloy
US10385435B2 (en) 2015-11-03 2019-08-20 The Hong Kong Polytechnic University Preparation of nanostructured titanium at cryogenic temperatures for medical implant applications
US10502252B2 (en) 2015-11-23 2019-12-10 Ati Properties Llc Processing of alpha-beta titanium alloys
DE102016122575B4 (de) 2016-11-23 2018-09-06 Meotec GmbH & Co. KG Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff
CN107142434B (zh) * 2017-05-05 2018-09-07 东南大学 一种高强度钛合金棒线材的制备方法
CN106947929B (zh) * 2017-05-10 2018-09-14 东南大学 一种高强度细晶纯钛棒线材的制备方法
DE102017005618A1 (de) * 2017-06-14 2018-12-20 Johannes Scherer Dentalimplantatsystem umfassend wenigstens ein Zahnimplantat und ein separates Abutment
CN107881447B (zh) * 2017-11-22 2019-04-23 四川大学 一种高强韧性丝状晶粒纯钛及其制备方法
JP7368798B2 (ja) * 2019-12-25 2023-10-25 国立大学法人豊橋技術科学大学 純チタン金属材料の加工方法
WO2022259731A1 (ja) 2021-06-07 2022-12-15 株式会社丸ヱム製作所 スクリュー用母材、スクリューとその製造方法
CN113957368B (zh) * 2021-09-29 2022-04-15 四川大学 一种纳米晶钛膜的制备方法
CN114411074B (zh) * 2021-12-13 2022-08-02 四川大学 一种多层双相跨尺度结构纯钛的制备方法
CN115522151B (zh) * 2022-10-09 2023-10-27 攀枝花学院 高纯ta1钛材获得超细晶粒的方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD282180A5 (de) 1989-03-03 1990-09-05 Univ Schiller Jena Verfahren zur herstellung bioaktiver und mechanisch hoch belastbarer implantate
EP0909339B1 (en) * 1996-06-21 2001-11-21 General Electric Company Method for processing billets from multiphase alloys
RU2146535C1 (ru) 1998-07-20 2000-03-20 Консультативная стоматологическая поликлиника при СГМУ Способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с плазмонапыленным многослойным биоактивным покрытием
US6878250B1 (en) * 1999-12-16 2005-04-12 Honeywell International Inc. Sputtering targets formed from cast materials
US6399215B1 (en) * 2000-03-28 2002-06-04 The Regents Of The University Of California Ultrafine-grained titanium for medical implants
RU2175685C1 (ru) 2000-07-27 2001-11-10 Уфимский государственный авиационный технический университет Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок
US6946039B1 (en) * 2000-11-02 2005-09-20 Honeywell International Inc. Physical vapor deposition targets, and methods of fabricating metallic materials
RU2259413C2 (ru) * 2001-02-28 2005-08-27 ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН Брусок из сплава титана и способ его изготовления
KR100431159B1 (ko) 2001-03-22 2004-05-12 김철생 생체활성 표면을 갖는 Ti-소재 경조직 대체재료의제조방법
RU2251588C2 (ru) 2003-06-03 2005-05-10 Научно-исследовательское учреждение Институт физики прочности и материаловедения (НИУ ИФПМ СО РАН) Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок
JP4686700B2 (ja) * 2003-10-01 2011-05-25 独立行政法人産業技術総合研究所 微細組織チタン及びその製造方法
US20060213592A1 (en) * 2004-06-29 2006-09-28 Postech Foundation Nanocrystalline titanium alloy, and method and apparatus for manufacturing the same
RU2277992C2 (ru) 2004-09-06 2006-06-20 Риф Гайзуллович Баймурзин Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой
US7617750B2 (en) * 2006-12-06 2009-11-17 Purdue Research Foundation Process of producing nanocrystalline bodies
KR101225122B1 (ko) * 2009-09-07 2013-01-22 포항공과대학교 산학협력단 저 변형량에서의 나노 결정립 티타늄 합금의 제조 방법
US8613818B2 (en) * 2010-09-15 2013-12-24 Ati Properties, Inc. Processing routes for titanium and titanium alloys

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
САДИКОВА Г.Х. и др. Влияние интенсивной пластической деформации и термомеханической обработки на структуру и свойства титана. - «Металловедение и термическая обработка металлов», 2005, №11, с.31-34. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2544218C2 (ru) * 2010-12-22 2015-03-10 Сандвик Интеллекчуал Проперти Аб Способ получения нанодвойникованного титанового материала с помощью литья
RU2464116C1 (ru) * 2011-03-15 2012-10-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет" (ГОУ ВПО ТГУ) Способ получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой
RU2503733C1 (ru) * 2012-11-14 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы и способ получения прутка из него
RU2562591C1 (ru) * 2014-04-25 2015-09-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Способ изготовления длинномерных металлических прутков с нанокристаллической структурой для медицинских изделий (варианты)
RU2823221C1 (ru) * 2023-05-11 2024-07-22 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук Способ комбинированной обработки титана для биомедицинского применения
RU2836718C1 (ru) * 2024-06-05 2025-03-19 Георгий Иосифович Рааб Пруток из технически чистого титана для биомедицины и способ его получения

Also Published As

Publication number Publication date
EP2366808A2 (en) 2011-09-21
JP5536789B2 (ja) 2014-07-02
EP2366808B1 (en) 2014-08-13
EP2366808A4 (en) 2013-04-10
CN102232124B (zh) 2013-09-11
US20110179848A1 (en) 2011-07-28
JP2012506290A (ja) 2012-03-15
KR101351143B1 (ko) 2014-01-14
BRPI0920298A2 (pt) 2017-10-17
CN102232124A (zh) 2011-11-02
KR20110102309A (ko) 2011-09-16
CA2741524C (en) 2013-09-24
CA2741524A1 (en) 2010-04-29
ES2497508T3 (es) 2014-09-23
AU2009307113B2 (en) 2015-07-30
WO2010047620A2 (ru) 2010-04-29
US8919168B2 (en) 2014-12-30
WO2010047620A3 (ru) 2010-06-17
AU2009307113A1 (en) 2010-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2383654C1 (ru) Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него
Bryła et al. Microstructure, mechanical properties, and degradation of Mg-Ag alloy after equal-channel angular pressing
JP2019148012A (ja) マグネシウム合金、その製造方法およびその使用
Vanmeensel et al. Additively manufactured metals for medical applications
US6399215B1 (en) Ultrafine-grained titanium for medical implants
JP2018197396A (ja) マグネシウム合金、その製造方法およびその使用
JP2019019412A (ja) マグネシウム合金、その製造方法およびその使用
CN112251639B (zh) 一种高强度抗菌钛合金棒材、丝材及其制备方法
Polyakov et al. Recent advances in processing and application of nanostructured titanium for dental implants
RU2656626C1 (ru) Способ получения проволоки из сплава титан-ниобий-тантал-цирконий с эффектом памяти формы
Kolobov et al. Regularities of formation and degradation of the microstructure and properties of new ultrafine-grained low-modulus Ti–Nb–Mo–Zr alloys
RU2503733C1 (ru) Наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы и способ получения прутка из него
Valiev et al. Study and development of nanostructured metals for production of medical implants and equipment
Polyakov et al. Development and study of medical implants made from nanostructured titanium
CN112251634B (zh) 一种抗菌等轴纳米晶Ti-Cu板材及其制备方法
RU2836718C1 (ru) Пруток из технически чистого титана для биомедицины и способ его получения
Zhang et al. Microstructure and properties of TC4/TNTZO multi-layered composite by direct laser deposition
EP2788519B1 (en) Method for increasing mechanical strength of titanium alloys having " phase by cold working
US20240225700A1 (en) Extruded lean magnesium-calcium alloys
CN112226646B (zh) 一种抗菌等轴纳米晶Ti-Cu棒、丝材及其制备方法
Yoshida et al. Development of bioactivity and pull-out torque control technology on Ti implant surface and its application for cold thread rolled bone screw
EP4324489A1 (en) A biocompatible and bioabsorbable composite material for full absorption in vivo in contact with a human or animal tissue and method of manufacture of said composite material