Способ обработки биосовместимого материала из титана или циркония, используемого для медицинского имплантанта

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБРАБОТКИ БИОСОВМЕСТИМОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ТИТАНА ИЛИ ЦИРКОНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ МЕДИЦИНСКОГО ИМПЛАНТАТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Кукареко Владимир АркадьевичБелый Алексей ВладимировичКопылов Владимир ИльичКононов Александр ГеннадьевичШаркеев Юрий ПетровичЭйсмонт Олег Леонидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(56) СЕГАЛ В.М. и др. Процессы пластического структурообразования металлов. Мн. Навукатэхнка, 1994. - С. 232.8653 1, 2006.2240197 1, 2004.2039126 1, 1995.2117073 1, 1998.6399215 1, 2002.2006/0213592 1.2005105385 , 2005.(57) Способ обработки биосовместимого материала из титана или циркония, используемого для медицинского имплантата, путем интенсивного пластического деформирования материала методом равноканального углового прессования, после которого материал подвергают ионно-лучевой обработке азотом с энергией ионов азота 1-3 кэВ, плотностью ионного тока 1,5-2,5 мА/см 2, временем обработки не менее 1,5 ч при 400-500 С в случае использования титана или при 450-550 С в случае использования циркония. Изобретение относится к области материаловедения, а именно к обработке биосовместимых материалов, и может быть использовано для повышения механических характеристик медицинских имплантатов с целью увеличения срока их службы в условиях фрикционного взаимодействия. Применение титана и циркония в качестве материалов для медицинских имплантатов обусловлено рядом причин. Во-первых, эти металлы обладают такими положительными для медицинского приложения свойствами, как низкая плотность и модуль упругости, высокая биосовместимость и коррозионная стойкость. Во-вторых, традиционные материалы для медицинских имплантатов, а именно нержавеющие стали, кобальтовые сплавы и титановый сплав ВТ 6, имеющие высокие прочностные свойства, не удовлетворяют требованиям биосовместимости. Например, нержавеющие стали и кобальтовые сплавы вызывают 11777 1 2009.04.30 образование вокруг имплантатов зернистых тканей с пониженным кровоснабжением. В титановом сплаве ВТ 6 присутствуют потенциально токсичные легирующие элементы, а именно алюминий и ванадий. Тем не менее при использовании в качестве медицинских имплантатов титан и цирконий имеют недостаточные прочность и износостойкость и высокий коэффициент трения. Известен способ обработки биосовместимых материалов из титана и циркония 1,включающий формирование в них высокопрочной субмикрокристаллической структуры методом винтовой экструзии. Его сущность состоит в том, что материал продавливают через матрицу с винтовым каналом. При этом поперечные размеры и форма сечения материала не изменяются, что позволяет осуществлять его многократную экструзию с целью накопления больших степеней деформации. Указанный способ позволяет увеличить прочностные свойства материалов в 1,4-1,6 раза. Однако недостатками такого способа являются появление высокой анизотропии механических свойств и неоднородность пластической деформации по сечению материала. Так, например, при обработке методом винтовой экструзии предел прочности увеличивается только в поперечном к оси экструзии направлении. Кроме того, данный способ не позволяет увеличить износостойкость материалов и снизить коэффициент трения. Известен способ обработки биосовместимых материалов, в том числе титана и циркония, с помощью метода равноканального углового прессования (РКУП), заключающегося в продавливании материала через инструмент с перекрещивающимися каналами 2. Способ позволяет получать материалы с СМК структурой, обладающие повышенными характеристиками твердости и прочности. Недостатками способа, однако, являются низкая износостойкость и высокий коэффициент трения деформированных материалов. В частности, интенсивность линейного изнашивания недеформированного титана в режиме трения без смазки (давление испытаний 1 МПа) составляет 0,5310-6,после РКУП обработки по режимам, обеспечивающим деформацию 2,1-2,5, интенсивность линейного изнашивания составляет 0,5010-6. Задачей изобретения является повышение износостойкости и снижение коэффициента трения материалов для медицинских имплантатов, например титана и циркония, при сохранении предварительно сформированной СМК структуры. Для решения поставленной задачи в способе обработки биосовместимых материалов,включающем интенсивное пластическое деформирование методом РКУП, согласно изобретению, материалы после интенсивного пластического деформирования подвергают ионно-лучевому азотированию с энергией ионов азота 1-3 кэВ, плотностью ионного тока 1,5-2,5 мА/см 2, временем обработки не менее 1,5 ч при 400-500 С в случае использования титана и при 450-550 С в случае использования циркония. Проведение интенсивного пластического деформирования методом равноканального углового прессования позволяет сформировать высокопрочную СМК структуру материала из титана и циркония, повышая тем самым прочностные характеристики. Известно, что степень анизотропии механических свойств и термическая стабильность СМК материалов зависят от режимов и схемы получения СМК состояния. В связи с этим наиболее оптимальным методом получения СМК структуры является метод РКУП, так как он обеспечивает формирование однородной по механическим свойствам СМК структуры, обладающей термической стабильностью вплоть до температур около 500 С для титана и 550 С для циркония. Выбор степени деформирования обусловлен наиболее оптимальным сочетанием прочностных характеристик и термической стабильности СМК структуры. Известно, что с увеличением степени деформации температура начала процесса рекристаллизации СМК материалов снижается с 0,4-0,5 Тпл до 0,25 Тпл. С другой стороны, по мере увеличения степени деформации возрастают прочностные характеристики СМК материала. В табл. 1 приведены значения твердости СМК титана при различных степенях пластической де 2 11777 1 2009.04.30 формации. Было найдено, что наиболее оптимальным значениям степени деформации соответствуют режимы 2,1 и 2,5, которые обеспечивают увеличение прочностных характеристик на 50-60 по сравнению с недеформированным состоянием. Для повышения износостойкости и снижения коэффициента трения целесообразно проводить ионно-лучевое азотирование, к основным параметрам которого относятся энергия ионов, ток ионного пучка, флюенс легирования, продолжительность обработки и температура облучаемой поверхности. Проведенные исследования показали, что необходимая концентрация примеси атомов внедрения ( 20-30 ат. ) в поверхностном слое материала достигается в результате облучения его при энергии ионов 1-3 кэВ и флюенсе легирования 3-410 ион./см 2. При этом указанная доза достигается после сравнительно кратковременного облучения (1,5-3 ч) пучком ионов с плотностью ионного тока 1,5-2,5 мА/см 2. Таблица 1 Твердость титана, деформированного методом РКУП при различных режимах Режим деформации Твердость, МПа Исходный 16300,88 20501,44 22002,1 23002,49 2450 Уменьшение энергии ионов ниже 1 кэВ и плотности ионного тока ниже 1,5 мА/см 2 приводит к существенному увеличению времени обработки, что снижает ее эффективность. Увеличение этих параметров выше 3 кэВ и 2,5 мА/см 2 соответственно приводит к интенсификации процессов распыления. При продолжительности ионно-лучевого азотирования менее 1,5 ч толщина модифицированного слоя не превышает 1 мкм, что не обеспечивает прирост триботехнических характеристик титана и циркония. Проведенные исследования показали, что температура облучаемой поверхности материала также влияет на его структурно-фазовый состав и механические свойства. Уменьшение температуры обработки ниже 400 С для титана и 450 С для циркония приводит к снижению эффективности обработки вследствие низкой скорости диффузии азота в титане и цирконии. Это приводит к увеличению продолжительности ионно-лучевой обработки для создания модифицированного слоя требуемой толщины, что увеличивает энергоемкость процесса. Увеличение температуры обработки выше 500 С для титана и выше 550 С для циркония приводит к интенсификации рекристаллизационных процессов. В табл. 2 приведены значения микротвердости для поверхностных слоев и сердцевины образцов деформированного титана, обработанного ионами азота при различных температурах. Таблица 2 Микротвердость азотированного слоя и подложки деформированного по режиму,обеспечивающему деформацию 2,5, титана, обработанного ионами азота при различных температурах Микротвердость азотированного Температура Микротвердость подложки, МПа слоя, МПа 350 2530 2450 450 2700 2250 500 2850 2000 550 3700 1800 11777 1 2009.04.30 Пример реализации способа для титана. Биоинертный титан ВТ 1-00 деформировался методом РКУП в установке с перекрещивающимися каналами при температуре 400 С по режиму 2,1 (4 цикла деформирования), обеспечивающему формирование СМК структуры с размером зерен 0,2-0,3 мкм и повышенной твердостью 2450-2500 МПа. Далее осуществлялась ионно-лучевая обработка СМК заготовок титана интенсивными пучками ионов азота на установке УВН-2 М при температуре образцов 450 С. Остаточное давление в камере составляло около 10-5 Па,энергия ионов азота - 3 кэВ, плотность ионов - 31019 см-2, плотность ионного тока - 2 мА/см 2. Обработка ионами азота проводилась в течение трех часов. Ионно-лучевая обработка привела к формированию модифицированных азотом поверхностных слоев толщиной 2-3 мкм и имеющих структуру насыщенного азотом -твердого раствора с ГПУ кристаллической решеткой. Модифицированный слой приобрел повышенную твердость Н 2600 МПа. Результаты исследования накопленного весового износа от пути трения представлены в табл. 3. Видно, что ионно-лучевое азотирование привело к увеличению износостойкости титана. Интенсивность линейного изнашивания составила 0,3 - 0,410-7.При этом твердость и механические свойства деформированной основы биоинертных материалов сохранялись на высоком уровне 2300 МПа. Таблица 3 Накопленный весовой износ образцов титана, прошедших обработку по различным режимам Весовой износ Весовой износ по предлагаемому Путь трения, м по прототипу, мг способу, мг 25 3 0,05 50 6 од 75 9 1,5 100 12 3,2 Таким образом, проведенная обработка титана ВТ 1-00 методом РКУП и ионнолучевого модифицирования поверхностного слоя обеспечила увеличение как твердости(в 1,5-1,6 раз), так и износостойкости их поверхностных слоев (в 20-25 раз) и на 40 снизила коэффициент трения трибосопряжений. Пример реализации способа для циркония. Биоинертный цирконий деформировался методом РКУП в установке с перекрещивающимися каналами при температуре 500 С по режиму 2,1 (4 цикла деформирования), обеспечивающему формирование СМК структуры с размером зерен 0,2-0,3 мкм и повышенной твердостью 1460 МПа. Далее была осуществлена ионно-лучевая обработка СМК циркония интенсивными пучками ионов азота на установке УВН-2 М при температуре образцов 500 С. Остаточное давление в камере составляло около 10-5 Па, энергия ионов азота - 3 кэВ, плотность ионов - 31019 см-2, плотность ионного тока - 2 мА/см 2. Время обработки составляло 3 ч. Таблица 4 Накопленный весовой износ образцов циркония, прошедших обработку по различным режимам Весовой износ Весовой износ по предлагаемому Путь трения, м по прототипу, мг способу, мг 25 5 0,5 50 9 3,5 75 15 7,5 100 22 12 4 11777 1 2009.04.30 Ионно-лучевая обработка привела к формированию модифицированных азотом поверхностных слоев толщиной 2-3 мкм и имеющих структуру насыщенного азотом -твердого раствора с ГПУ кристаллической решеткой. Модифицированный слой приобрел повышенную твердость 2400 МПа. При этом твердость и механические свойства деформированной основы биоинертных материалов сохранялись на высоком уровне 1150 МПа. Проведенные исследования по накопленному весовому износу циркония,прошедшего обработку по прототипу и обработку, согласно настоящему изобретению,представленные в табл. 4, свидетельствуют об увеличении износостойкости циркония в результате ионно-лучевого азотирования. Таким образом, проведенная обработка циркония методом РКУП и ионно-лучевого модифицирования поверхностного слоя обеспечила увеличение как твердости, так и износостойкости их поверхностных слоев и снизила коэффициент трения трибосопряжений. Источники информации 1..,.,./// ., .. 17-21. - 2002. - . 297-304. 2. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др. Процессы пластического структурообразования металлов. - Мн. Наука и техника, 1994. - 232 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5