Термоводородная обработка фасонных отливок из титанового сплава ВТ20Л для медицинских имплантатов

Актуальность проблемы.

Титановые сплавы находят широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической промышленности, автомобилестроении, бытовой технике, а также и в медицине для изготовления имплантатов. Сплав ВТ6 (Ть6А1−4У) имеет наиболее удачное сочетание механических и технологических свойств (высокая вязкость разрушения, небольшая скорость роста усталостных трещин и высокая циклическая выносливость). В настоящее время на долю этого сплава приходится более 50% всего мирового производства титана.

Благодаря хорошему сочетанию физико-механических и антикоррозионных свойств, сплав ВТ6 (Т1−6А1−4У) стал основным материалом, на основе которого в настоящее время различными зарубежными и отечественными фирмами изготавливаются нагруженные компоненты имплантатов, в частности ножки эндопротезов тазобедренного сустава. Исторически сложилось, что в России существовал свой подход к разработке титановых сплавов. И хотя он вписывался в рамки общей мировой тенденции разработки конструкционных титановых сплавов, конкретные марки сплавов, созданные в России, отличаются от зарубежных аналогов. Так случилось и со сплавом ВТ6 (Ть6А1−4У), в котором максимальное содержание ванадия достигает 5,3%, в то время как в зарубежном аналоге оно составляет 4,5%. Тем не менее в России сплав ВТ6 допущен для изготовления имплантатов. Однако, в последнее время появились сообщения о возможности накопления ионов ванадия в тканях органов человека, где был имплантирован элемент из сплава Т1−6А1−4У, и в некоторых странах начались исследования возможности замены ванадия на менее токсичные легирующие элементы. Так в Швейцарии появился сплав Ть6А1−7>Пэ, а в Германии — сплав Т1−5А1−2,5Ре. В настоящее время эти сплавы наряду со сплавом Ть6А1−4У внесены в международный стандарт, определяющий круг сплавов на основе титана, допущенных для изготовления имплантатов.

В то же время собственный подход к созданию титановых сплавов привел к тому, что в России уже более 40 лет промышленность производит широкую номенклатуру полуфабрикатов из сплава ВТ20 (П-6А1−1 MMo-2Zr).

В отличие от сплава ВТ6 содержание токсичного ванадия в сплаве ВТ20 понижено до 1−1,8% по массе, а достаточный уровень прочности (ав=1100 МПа в деформированных полуфабрикатах) достигается введением 1% по массе менее токсичного молибдена и 2% по массе нетоксичного циркония.

Титановые сплавы ВТ6 и ВТ20 имеют высокую коррозионную стойкость в физиологическом растворе, однако, это необходимое, но недостаточное условие биосовместимости материала. Важной характеристикой является также токсичность продуктов коррозии. С этой точки зрения сплав ВТ20 имеет явное преимущество перед сплавом ВТ6.

Одним из основных недостатков титановых сплавов является их плохая обрабатываемость резанием. Этим обусловлена высокая стоимость механической обработки сложных по форме компонентов эндопротезов. Необходимость снижения стоимости такой социально значимой продукции, как эндопротезы, делает актуальным использование наиболее экономичных технологий производства. К таким технологиям относится фасонное литье заготовок, при котором возможно максимальное приближение формы и размеров заготовки к форме и размерам готового изделия. Однако, его применение в производстве имплантатов, несмотря на высокую экономическую эффективность, ограничено. Это связано в первую очередь с низким уровнем механических, особенно усталостных, свойств литого материала из-за наличия пористости, микроликвации и неблагоприятной микроструктуры (крупное макрозерно, крупнопластинчатое внутризеренное строение). Устранение пористости достигается проведением высокотемпературной газостатической обработки (ВГО). Однако ВГО практически не влияет на структуру литого металла, а применяемая на практике термическая обработка — отжиг для устранения остаточных литейных напряжений, также не позволяет повысить прочность сплавов. Упрочняющая термическая обработка фасонных отливок сложной формы связана с опасностью поводок и коробления при охлаждении с высокой скоростью.

Новым эффективным способом управления структурой и повышения комплекса свойств титановых сплавов является термоводородная обработка (ТВО), основанная на обратимом легировании водородом. Она включает в себя три основных операции: насыщение водородом до заданной концентрации, термическое воздействие и удаление водорода до безопасных концентраций при вакуумном отжиге. К настоящему времени разработаны научные основы ТВО и показаны ее широкие возможности по улучшению структуры сплавов различных классов. Одним из наиболее перспективных направлений применения ТВО является преобразование литой структуры с целью повышения комплекса механических (особенно усталостных) свойств отливок.

Разработка технологических схем и режимов ТВО отливок из конкретных титановых сплавов основана на знании и целенаправленном использовании закономерностей формирования их фазового состава и структуры на всех этапах ТВО. При этом структурное состояние материала должно обеспечивать, как правило, оптимальное соотношение и повышенный уровень той группы механических свойств, которая определяет работоспособность изделия в заданных условиях эксплуатации. Для фасонных отливок из конструкционных титановых сплавов, используемых для изготовления ножек эндопротеза тазобедренного сустава, наиболее актуальной является проблема повышения надежности изделий в условиях циклических нагрузок.

В настоящее время технология ТВО фасонных отливок из сплава ВТ6 успешно применяется ЗАО «Имплант МТ» при изготовлении компонентов эндопротеза тазобедренного сустава.

Однако, учитывая преимущества сплава ВТ20 для медицинского использования, проблема разработки технологии термоводородной обработки имплантируемых изделий из сплава ВТ20Л, обеспечивающей требуемые международным стандартом микроструктуру и уровень механических и эксплуатационных свойств компонентов эндопротезов тазобедренного сустава, является актуальной.

Научная новизна:

1. Показано, что в процессе наводороживания при температуре двухфазной (а+Р)-области вследствие развития а—"(^-превращения происходит перераспределение легирующих элементов, приводящее к образованию в частицах первичной а-фазы сплава ВТ20Л отдельных микрообъемов с повышенным содержанием алюминия и выделению в них упорядоченной а2-фазы на основе интерметаллида Т1зА1.

2. Определены механизм и кинетика образования упорядоченной а2-фазы в структуре сплава ВТ20Л, легированном водородом, и температурно-временные параметры ее устойчивости после дегазации и последующей термической обработки.

3. Показано, что а-«оторочка» в Р-превращенной структуре отливок сплава ВТ20Л может быть устранена путем изотермической циклической термоводородной обработки, основанной на многократно протекающем а—"0-превращении при введении и удалении водорода.

4. Установлено, что формирование однородной дисперсной структуры, не содержащей а-«оторочку», приводит к повышению предела выносливости за счет увеличения работы зарождения усталостной трещины.

5. Установлено, что применение изотермической ТВО при температурах (а+Р)-области дает возможность получения в фасонных отливках из сплава ВТ20Л градиентной микроструктуры (от мелкодисперсной в поверхности до пластинчатой в сердцевине), обеспечивающей повышение усталостных характеристик готовых изделий.

Практическая значимость:

1. Разработан режим термоводородной обработки фасонных отливок из титанового сплава ВТ20Л, основанный на чередовании процессов наводороживания и дегазации. За счет формирования однородной дисперсной структуры, не содержащей а-«оторочки», прочностные свойства сплава повышаются на 15−25% по сравнению с литым состоянием, а предел выносливости на базе 107 циклов достигает 630 МПа.

2. Разработан режим термоводородной обработки для создания градиентных микроструктур в фасонных отливках из титанового сплава ВТ20Л. Создание в поверхности мелкодисперсной структуры, обеспечивающей высокую работу зарождения усталостной трещины, и сохранение пластинчатой сердцевины, обеспечивающей высокую работу распространения усталостной трещины, позволило увеличить прочность сплава на 15−20%, пластичность на 50% и предел выносливости на 70% по сравнению с литым состоянием.

Разработанные технологии были использованы ЗАО «Имплант МТ» при производстве компонентов эндопротезов из титанового сплава ВТ20Л, что подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Молодежных научно-технических конференциях «МАТИ"-РГТУ им. К. Э. Циолковского «Гагаринские чтения» (19 992 003гг., Россия), на Научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (1998;2000гг., Россия), на XV Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», (Россия, 2000 г.) и на Научно-технической конференции, посвященной 70-летию «МАТИ"-РГТУим. К. Э. Циолковского (Россия, 2002г).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что при окончании наводороживающего отжига в р-области (выше температуры Ас3 наводороженного сплава) необходимо введение не менее 0,8% водорода, чтобы предотвратить диффузионный распад р-фазы в процессе охлаждения со скоростью 1 К/с до комнатной температуры.

2. Установлено, что, изменяя температуру наводороживающего отжига при одном и том же содержании водорода в сплаве, можно в широком диапазоне изменять его фазовый состав и структуру. Так, после наводороживающего отжига сплава ВТ20Л до концентрации 0,8% водорода при температуре 800 °C его фазовый состав представлен Ри а" - фазами, при температурах 700 °C, 650 °C и 600 °C — а-, р-, уи а2-фазами, а при 550 °C — аи уфазами.

3. Показана возможность выделения в сплаве ВТ20Л, легированном водородом до 0,8%, упорядоченной а2-фазь1 на основе интерметаллида Т13А1. Установлен механизм ее образования при наводороживающем отжиге в (а+р)-области. Инициируя а-«р-превращение, водород увеличивает количество р-фазы, снижая содержание в ней р-стабилизаторов и увеличивая концентрацию алюминия в а-фазе, что создает условия для образования в ее микрообъемах а2-фазы. Проведенные исследования показали, что с точки зрения создания гетерофазной структуры, содержащей а2-фазу, наиболее предпочтительным для сплава ВТ20Л является наводороживающий отжиг при 700 °C.

4. Установлено, что изотермический отжиг при температуре 700 °C сплава ВТ20Л, легированного 0,8% водорода, приводит либо к образованию обогащенной алюминием а-фазы и выделению в ней по всему объему дисперсных частиц а2-фазы (если наводороживающий отжиг проходил в р-области), либо к увеличению количества а2-фазы, выделяющейся в отдельных микрообъемах первичных пластин а-фазы, обогащенных алюминием (если наводороживающий отжиг проходил в (а+р)-области).

— 1295. Проведенные исследования показали, что применение термоводородной обработки для фасонных отливок сплава ВТ20Л позволяет не только преобразовать литую структуру, но и создать структуру несвойственную сплаву в равновесном состоянии. Так вакуумный отжиг при температурах 600−700°С приводит к формированию структуры, в которой помимо небольшого количества Р-фазы присутствуют две а-фазы (первичная или выделившаяся в процессе отжига а-фаза, обогащенная алюминием, и адег, образующаяся при дегазации из обедненной алюминием Р-фазы) и упорядоченная а2-фаза. Это связано с тем, что при данных температурах вакуумного отжига р-«а-превращение обусловлено обеднением Рфазы водородом, а диффузия основных легирующих элементов, в частности алюминия, недостаточно интенсивна. Поэтому после вакуумного отжига при температурах 600−700°С формируется (адег + (а0бОг А1 +а2) + Р)-структура.

6. Установлено, что после вакуумного отжига при 750 °C в сплаве формируется неравновесная (ан+рн)-структура, если наводороживающий отжиг проводился в Р-области, и (адег + (аобог А1 +а2) + Р)-структура, если наводороживание было в (а+Р)-области. Это связано с различной термодинамической стабильностью а2-фазы, обусловленной ее составом и степенью порядка. Повышение температуры вакуумного отжига до 800−850°С приводит к активизации диффузии основных легирующих элементов и формированию равновесной (ар+Рр)-структуры.

7. Определены температурно-временные параметры стабильности (с1Дег + («обог а1 +а2) + Р)-структуры, сформировавшейся после термоводородной обработки. Установлено, что наибольшую термическую стабильность (более 100 часов) имеет структура, сформировавшаяся после ТВО с вакуумным отжигом при 600 °C и 650 °C. Изотермическая выдержка при 700 °C приводит к формированию неравновесной (ан+рн)-структуры после 19 часов при наводороживании в (а+Р)-области, и 15 часов после наводороживания в Р-области. Равновесная (ар+Рр)-структура достигается после выдержки в течение 25 и 20 часов соответственно. Повышение температуры отжига приводит к уменьшению времени до получения ар+Рр)-структуры. При температуре 750 °C она достигается через 5 часов (если наводороживающий отжиг проводился в р-области) и через 15 часов, если наводороживающий отжиг происходил в (а+р)-области.

8. Установлено, что для обеспечения формирования в процессе вакуумного отжига равновесной дисперсной а+р-структуры, необходимо проводить ступенчатый вакуумный отжиг. Показано, что низкотемпературный вакуумный отжиг (600−650°С) образцов, наводороженных в р-области до 0,8%, приводит к формированию в сплаве дисперсной гетерогенной структуры, содержащей аг-фазу, и тонкую а-«оторочку». Для получения равновесной (а+р)-структуры при минимально возможном времени выдержки необходимо проводить вакуумный отжиг при температурах 800−850°С, что приводит к образованию в структуре более крупных частиц а-фазы, с явно выраженной пластинчатой морфологией, и утолщенной а-«оторочки». Установлено, что ТВО со ступенчатым вакуумным отжигом позволяет полностью преобразовать внутризеренную литую структуру, но не исключает образования а-«оторочки» по границе исходного р-зерна.

9. Установлено, что наводороживающий отжиг в двухфазной (а+Р)-области вблизи температуры Ас3 приводит к фрагментации пластин а-фазы, приближая их морфологию к глобулярной. Дальнейшее циклирование при температуре 650 °C, состоящее из сочетания вакуумных и наводороживающих отжигов с завершающей операцией удаления водорода при 650 °C до безопасных концентраций, приводит к формированию дисперсной структуры, однородной по всему сечению, а проведение разработанного ступенчатого вакуумного отжига способствует незначительному укрупнению структурных составляющих без образования а-«оторочки». Таким образом показано, что многократное протекание а<=>Р-превращения при введении и удалении водорода при температуре 650 °C с последующим ступенчатым вакуумным отжигом позволяет избежать образования а-«оторочки» в р-превращенной структуре отливок сплава ВТ20Л.

10. Установлено, что исключение изотермической выдержки при наводороживании в двухфазной области при температуре 700 °C приводит к неодинаковой завершенности сс-«Р-превращения по объему материала отливки: от практически однофазного ß—состояния в поверхности до литой, непреобразованной структуры в сердцевине. Проведение последующего вакуумного отжига дает возможность получения в фасонных отливках сплава BT20JI градиентной структуры: от мелкодисперсной в поверхности до пластинчатой в сердцевине.

11. Разработан технологический процесс термоводородной обработки фасонных отливок из сплава BT20JI, основанный на чередовании наводороживания и дегазации, обеспечивающий преобразование крупнопластинчатой литой структуры в однородную мелкодисперсную. Показано, что реализация предложенной технологии обеспечивает повышение прочности до 1020 МПа при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости. При этом предел выносливости на базе 107 циклов достигает 540 МПа.

12. Разработан технологический процесс термоводородной обработки фасонных отливок из сплава BT20JI, основанный на изотермическом наводороживании в (а+Р)-области, обеспечивающий создание градиентной микроструктуры по сечению отливки. Показано, что реализация предложенной технологии позволяет значительно повысить предел выносливости (до 580 МПа) за счет увеличения как работы зарождения, так и работы распространения усталостной трещины.

13. Разработанные технологии были использованы ЗАО «Имплант МТ» при производстве ножек бедренных компонентов эндопротезов тазобедренного сустава из титанового сплава BT20JI, что подтверждено соответствующим актом (см. приложение). Ш.