ПОКРЫТИЯ ТИТАН-ЦИРКОНИЙ, СФОРМИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫМ МЕТОДОМ НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ

  • Кирилл Валерьевич Соснин Сибирский государственный индустриальный университет
  • Денис Анатольевич Романов Сибирский государственный индустриальный университет
  • Виктор Евгеньевич Громов Сибирский государственный индустриальный университет
  • Юрий Федорович Иванов Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук
Ключевые слова: электровзрывное напыление, биоинертное покрытие, ниобий, покрытие Ti-Zr, покрытие Ti-Nb

Аннотация

Разработка биосовместимых низкомодульных β-сплавов, в частности систем Ti-Zr и Ti-Nb, стала новым направлением в медицинском материаловедении. Одной из приоритетных задач физики конденсированного состояния и медицинского материаловедения является исследование физико-химических и морфологических свойств, структуры имплантатов. Поиск оптимального набора параметров покрытий, обеспечивающего наибольшую механическую и биологическую совместимость или инертность с костной тканью, – одна из современных тенденций в области нанесения биопокрытий на поверхность металлических имплантатов.

Поставлена и решена задача формирования биоинертного покрытия системы Ti-Zr перспективным методом электровзрывного напыления. Электровзрывным методом получены покрытия состава Ti-Zr на поверхности титанового дентального имплантата (сплав ВТ6). Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа определен элементный и фазовый состав, изучена морфология и дефектная субструктура покрытия. Определена твердость и модуль Юнга, коэффициент трения и износостойкость сформированного покрытия.

Формирование покрытия состава Ti-Zr сопровождается незначительным (относительно подложки без покрытия) снижением параметра износа (повышением износостойкости) поверхностного слоя (на 18 %), повышением коэффициента трения в 1,5 раза, незначительным (на 3 %) повышением твердости и снижением модуля Юнга на 64 %. Установлено, что электровзрывное покрытие является многоэлементным и многофазным, обладает субмикро- и нанокристаллической структурой. Высокие прочностные и трибологические свойства формируемого электровзрывным методом покрытия обусловлены выделением наноразмерных частиц карбидной и оксидной фаз, выявленных методами рентгенофазового анализа.

Биографии авторов

Кирилл Валерьевич Соснин, Сибирский государственный индустриальный университет

кандидат технических наук, старший научный сотрудник управления научных исследований

Денис Анатольевич Романов, Сибирский государственный индустриальный университет

доктор технических наук, доцент, доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

Виктор Евгеньевич Громов, Сибирский государственный индустриальный университет

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля

Юрий Федорович Иванов, Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук

доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник

Литература

1. Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Development of new metallic alloys for biomedical applications // Acta Biomaterialia. 2012. Vol. 8. № 11. P. 3888–3903.
2. Kajzer A., Antonowicz M., Ziębowicz B. Studies of the corrosion resistance properties of bone screws made from 316l stainless steel in ringer’s solution // Archives of Metallurgy and Materials. 2018. Vol. 63. № 1. P. 323–328.
3. Kosayadiloka K., Tangjit N., Luppanapornlarp S., Santiwong P. Metal Ion Release and Cytotoxicity of Titanium Orthodontic Miniscrews // Key Engineering Materials. 2017. Vol. 730. P. 141–147.
4. Brunette D.M., Tengvall P., Textor M., Thomsen P. Titanium in medicine. Berlin: Springer, 2001. 1019 p.
5. Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants – A review // Progress in Materials Science. 2009. Vol. 54. № 3. P. 397–425.
6. Niinomi M. Recent metallic materials for biomedical applications // Metallurgical and Materials Transactions A. 2002. Vol. 33. P. 477–486.
7. Hanada S., Matsumoto H., Watanabe S. Mechanical compatibility of titanium implants in hard tissues // International Congress Series. 2005. Vol. 1284. P. 239–247.
8. Hon Y.H., Wang J.Y., Pan Y.N. Composition/Phase Structure and Properties of Titanium-Niobium Alloys // Materials transactions. 2003. Vol. 44. № 11. P. 2384–2390.
9. Davidson J.A., Kovacs P. Patent U.S. 5954724, 1992.
10. Lee C.M., Ju C.P., Chern Lin J.H. Structure–property relationship of cast Ti–Nb alloys // Journal of Oral Rehabilitation. 2002. Vol. 29. № 4. P. 314–322.
11. Sharkeev Yu., Komarova E., Sedelnikova M., Sun Z., Zhu Q., Zhang J., Tolkacheva T., Uvarkin P. Structure and properties of micro-arc calcium phosphate coatings on pure titanium and Ti–40Nb alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017. Vol. 27. № 1. P. 125–133.
12. Staiger M.P., Pietak A.M., Huadmai J., Dias G.J. Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials // Biomaterials. 2006. Vol. 27. № 9. P. 1728–1734.
13. Mathieu S., Rapin C., Steinmetz J., Steinmetz P.A. A corrosion study of the main constituent phases of AZ91 magnesium alloys // Corrosion Science. 2003. Vol. 45. № 12. P. 2741–2755.
14. Li L., Gao J., Wang Y. Evaluation of cyto-toxicity and corrosion behavior of alkali-heat-treated magnesium in simulated body fluid // Surface and Coatings Technology. 2004. Vol. 185. № 1. P. 92–98.
15. Chen J., Wang J., Han E., Dong J., Ke W. Corrosion behavior of AZ91D magnesium alloy in sodium sulfate solution // Materials and Corrosion. 2006. Vol. 57. № 10. P. 789–793.
16. Witte F. The history of biodegradable magnesium implants // Acta biomaterialia. 2010. Vol. 6. № 5. P. 1680–1692.
17. Zheng Y. Magnesium Alloys as Degradable Biomaterials. USA: CRC Press, 2015. 578 p.
18. Mani G., Feldman M.D., Patel D., Aqrawal C.M. Coronary stents: a materials perspective // Biomaterials. 2007. Vol. 28. № 9. P. 1689–1710.
19. Romanov D.A., Gromov V.E., Glezer A.M., Panin S.V., Semin A.P. Structure of electro-explosion resistant coatings consisting of immiscible components // Materials Letters. 2017. Vol. 188. P. 25–28.
20. Romanov D.A., Moskovskii S.V., Sosnin K.V., Gromov V.E., Bataev V.A. Structure and electrical erosion resistance of an electro-explosive coating of the CuO–Ag system // Materials Research Express. 2019. Vol. 6. № 5. P. 055042.
21. Перегудов О.А., Романов Д.А., Соснин К.В., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Филяков А.Д. Структурно-фазовый анализ системы ниобий-титан, сформированной электровзрывным методом на поверхности титанового имплантата // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2019. Т. 16. № 1. С. 91–98.
Опубликован
2019-09-30
Выпуск
Раздел
Технические науки

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)