Разработанный российскими учёными метод формирования наноразмерных зёрен в структуре чистого титана позволяет улучшать ряд его механических свойств. Информация об исследованиях структуры и свойств наноразмерного титана, а также имплантатов, изготовленных на его основе, будет опубликована в майском номере журнала «Российские нанотехнологии».

Работа была поддержана ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» и аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы».

Титан – один из самых перспективных материалов для изготовления хирургических имплантатов – вживляемых в организм протезов, широко используемых в травматологии. Этот уникальный материал обладает биосовместимостью с тканями организма и даже срастается с костью. Хотя титан и является достаточно прочным материалом, тем не менее учёным в некоторых случаях требуются более высокие прочностные качества. Для повышения прочности исследователи зачастую вводят в чистый титан примеси, например алюминий и ванадий. Однако указанные легирующие элементы оказывают вредное воздействие на организм. Поэтому с точки зрения лучшей биологической совместимости необходимо искать новые методы упрочнения биоинертного чистого титана.

Таким компромиссным вариантом упрочнения чистого титана является формирование наноразмерных зёрен посредством пластической деформации. Исследователями из Научно-образовательного и инновационного центра «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» и Белгородского государственного университета в сотрудничестве с учёными Всероссийского научно-исследовательского проектного института медицинских инструментов Казани были проведены исследования структуры и механических свойств такого наноструктурного титана.

Для создания в структуре титана наноразмерных зёрен учёные использовали оригинальный метод пластической деформации, сочетающий в себе поперечно-винтовую и продольную прокатки. После проведения такой обработки металла давлением прокатных валов титан подвергался отжигу для снятия внутренних напряжений. В результате операций в структуре появлялись зёрна различных размеров, в том числе менее 100 нм, средний же размер образованных зёрен составлял 290 нм.

Затем специалисты сравнили прочностные качества обработанного беспримесного титана и титана, легированного алюминием и ванадием. Проведённые механические испытания свидетельствовали об увеличении прочности титана почти в два раза по сравнению с его исходным состоянием. Более того, полученные значения приближались к значениям прочности легированного титана.

С точки зрения практического применения интересны испытания готовой продукции, а именно титановых винтов для травматологии. Помимо высоких прочностных качеств, винты должны обладать значительной пластической деформацией на кручение. Если материал винта недостаточно пластичен, то в условиях реальной медицинской операции по протезированию возможно разрушение винтов при монтаже конструкции. Как результат – хирургу придётся высверлить остаток (резьбовую часть) винта из кости и изменить конфигурацию устанавливаемой конструкции. Данная процедура приводит не только к незапланированному увеличению времени операции, но и к увеличению риска неправильного функционирования имплантатов. Испытания титановых винтов показали, что наноструктурный титан обладает чрезвычайно высокой пластичностью, максимальный угол скручивания образца до его разрушения составляет 410 градусов. Этот результат примерно на 60 процентов превосходит значения пластичности легированного титана.

Упрочнение титана за счёт образования наноразмерных зёрен в чистом титане по значению показателей механических свойств эквивалентно упрочнению за счёт легирующих элементов. По мнению учёных, такой метод упрочнения – достойная замена легирования металлов.

Источник информации:

М. Б. Иванов, Ю. Р. Колобов, Е. В. Голосов, И. Н. Кузьменко, В. П. Вейнов, Д. А. Нечаенко, Е. С. Кунгурцев Механические свойства наноструктурного титана серийного производства. – Российские нанотехнологии. – том 6. – № 5–6.