Методы получения и обработки титана и титановых сплавов

Ниже перечислены основные методы получения и обработки титана и титановых сплавов (Лахтин, Леонтьева, 1980; Гюнтер и др., 1992; Davis, Jonhes, 1996):

• сплавы;
• вакуумно-дуговая плавка;
• плазменно-дуговая плавка;
• ковка;
• горячий прокат;
• холодная обработка;
• термическая обработка;
• порошковая металлургия.

Мы не будем детализировать все вышеперечисленные процессы. Единственное, что хочется подчеркнуть, что традиционным коммерческим методом плавки титановых биомедицинских сплавов является двойная вакуумная плавка (ВП) в дуговой печи.

Альтернативным методом для плавления титановых сплавов является плавка в «холодном тигле», где в качестве источника нагрева используются электронный пучок или плазменная дуга. Плавление производится в инертной атмосфере, которая может быть гелиевой, аргоновой или смесью этих газов при давлении от 350 до 850 Торр (Bomberger, 1985). Сплавы, содержащие молибден, тантал или вольфрам, которые трудно образуют качественный сплав с алюминием, могут сравнительно легко осуществить этот процессы при плавлении в холодном тигле (Duerig, Williams, 1983; Okada, 1992; Davies, Jones, 1996).

Адекватное соблюдение температурного режима обработки необходимо для сохранения оптимальных прочностных характеристик сплавов титана. Так, в таблице показано влияние изменения температуры на механические свойства титана марки СР-4.

Влияние температуры обработки на растяжимые свойства условно прокатанного СР-4 титанового прямоугольного стержня (Zwicker, Schmidt, 1976)

С другой стороны, высокотемпературная обработка может вызывать появление различного рода дефектов. Низкие температуры и скорости прокатки приводят к образованию очень тонкой однородной структуры титана и его сплавов (Imam et al., 1992; Thull, 1982, 1994).

Наличие микроэлементов также влияет на фазовый состав и прочностные характеристики титановых сплавов.

Максимальное содержание некоторых микроэлементов в сплавах представлено в таблице. Их наличие влияет на размер зерен кристаллов и, следовательно, механические характеристики материала.

Максимальное содержание некоторых микроэлементов в титановых сплавах

Наиболее часто в травматологии и ортопедии используются коммерчески чистый титан и его сплавы: Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2,5Fe, Ti-6Al-7Nb, Ti-11,5Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Mo-3Nb и др., разрешенные ГОСТом 26492-85, ГОСТом 27265-87, ГОСТом 19807-91, международными стандартами ISO ТС 150 5832/2, ISO TC150 5832/3, ASTM 136-92.

Для улучшения механических свойств и повышения биосовместимости постоянно создаются новые титановые сплавы. Так, недавно был предложен сплав, Ti-4Al-4V (Alcantara et al., 1999). У ряда титановых сплавов, которые сегодня используются или рассматриваются в качестве потенциальных имплантируемых материалов, механические свойства изменяются в зависимости от термообработки и других параметров производственного процесса (Thull, 1982, 1992; Imam, Fraker, 1996). Микроэлементы играют важную роль, воздействуя на механические свойства титановых сплавов. Так, например, предел прочности на растяжение возрастает с увеличением содержания кислорода. Пределы содержания водорода изменяются в соответствии с формой продукта следующим образом: 0,015 Н (лист), 0,012 Н (стержень) и 0,0100 Н (дробь).


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики