Лазерный мир

Акимов С.Н., Аблякимов А.Д., Джелядинов А.С. // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2023. № 36. С. 44-48

Для повышения прочности изделий из титана и его сплавов, применяемых в медицине, проведена поверхностная термическая обработка поверхности образцов с помощью лазерного излучения. Нагрев поверхности осуществлен без достижения температуры плавления сплавов, чтобы сохранить геометрические размеры изделий. Сохранение заданных размеров исключает дальнейшую доработку и доводку образцов, что показывает несомненную перспективность проведенного процесса.

Постановка проблемы. Применение титановых сплавов в медицине для различных целей началось с 60-х годов прошлого века. Изготавливают из подобных материалов такие продукты, как эндопротезы костей и основных суставов всех типов, например, плечевых, коленных, тазобедренных и локтевых. Позднее медицинское применение сплавов данного класса расширилось до реконструкции ушных раковин, лицевых и черепных пластин, а, кроме того, отливки зубных имплантов. К материалам первого поколения относят технически чистый титан (с примесью железа) марок ВТ1 или сплав марки ВТ6 [1]. Время и эксплуатация показало, что титановые импланты первого поколения деградируют спустя 10-15 лет.

В последнее время на смену пришли β-Ti-сплавы, называемые материалами второго поколения, которые позволили исключить вредное влияние катионов или атомов алюминия и ванадия, выделяющихся в процессе долговременной коррозии материала сплава. Важное направление дальнейшего развития материалов данного класса – повышение их
механической прочности, усталостной прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости [2].
Срок службы имплантов любого вида, как хрящевидных, так и костных, очевидно, зависит от химического состава материала и его прочности. Дешёвые системы с использованием сплавов первого поколения, без применения дальнейшего упрочнения или легирования, служат в диапазоне от 7 до 10 лет. Импланты из материалов более современных служат около 15- 20 лет. Конструкции имплантов из легированных титановых сплавов, подвергнутых дополнительными методами обработки могут служить еще дольше, что особенно ценно для костных тканей, в то числе зубных протезов.
Анализ литературы. Новые методы синтеза, а также термической и механической обработки различных титановых сплавов, постоянно совершенствуются в двух направлениях: улучшения прочностных характеристик и удешевления применяемых материалов. В частности, более дорогие компоненты сплава (тантал, цирконий или ниобий), меняют на дешевые, такие как хром или марганец. В результате проводимых совершенствований свойства титановых имплантов все ближе к свойствам человеческих костей, а временной диапазон их работы постоянно растет.
Например, некоторые исследователи проводили сравнительный анализ сплавов на основе β-титана для медицинских применений [3]. Было проведено изучение таких методов, как электромеханическая поверхностная обработка (ЭМО) и безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО), а также их совместное воздействие с дальнейшим старением, на циклическую долговечность и изменение микротвердости поверхности титанового сплава [3-5].
Востребованность титановых сплавов в медицине обусловлена появлением на поверхности оксидной пленки полимерного оксида титана нестехиометрического состава, которая предотвращает проникновение в окружающие ткани организма ионов сплава. Данное явление способствует еще одной важной особенности сплавов на основе титана – они являются гипоаллергенными. Кроме того, легированные титановые сплавы обладают довольно высокой прочностью, и, как следствие, у них отсутствует пластическая деформация при значительных величинах механического напряжения, а также при высоких значениях температуры при обработке и эксплуатации, что позволило производить из некоторых материалов данного класса медицинские инструменты.
Конструктивно титановые сплавы характеризуют высокие значения показателя прочности, позволяющего выдерживать нагрузку до 2-3 тонн [3]. Вследствие такой прочности из подобных материалов изготавливают костные импланты, в частности, протезы тазобедренных суставов. Также имплантаты данного вида неспособны вызывать процессы воспаления окружающей ткани, поэтому безопасны для организма человека.
Важным преимуществом таких конструкций является быстрая скорость изготовления. При этом себестоимость изделий, в сравнении с другими, ранее
применяемыми материалами, ниже, учитывая длительный срок их службы и специфику применения.
Кроме того, в тонких сечениях титановые сплавы обладают высокой пластичностью, вследствие чего их широко применяют для производства сетки, фольги или нитей. Такие виды изделий применяют в косметической пластике мягких тканей или хрящей, подшивая нитью сетку или фольгу [3].
Структурные превращения титана и его сплавов в различных режимах термообработки протекают по одному и тому же механизму. Механизм упрочнения обязательно сопровождается интенсивным ростом зерен при температуре выше α-β-перехода [6; 7]. Установлено, что при этом происходит уменьшение размеров зерен в поверхностном слое, подвергнутого модификации, следствием чего является формирование мелкозернистой структуры [6].
Цель работы. Целью нашей работы является лазерное поверхностное упрочение некоторых титановых сплавов с сохранением геометрии изделий.
Обсуждение результатов. Обработка поверхности титанового сплава с помощью лазерного излучения представляется нам преимущественным методом по сравнению с другими процессами термического и механического упрочнения. Такие способы, как объемная закалка, обработка током высокой частоты, электрический нагрев, закалка из расплава и другие, чаще всего изменяют геометрические размеры деталей или изделий. Напротив, прогревание поверхностных слоев при действии лазерного излучения является неглубоким и контролируемым процессом, что исключает изменение как макроразмеров, так и микроразмеров образцов сплавов.
Следует отметить, что упрочнение лазерным лучом возможно осуществлять и без фактического оплавления поверхности, что достигается уменьшением плотности мощности излучения. Такая регулировка мощности и временного диапазона воздействия излучения, доставляемого на поверхность изделия на определенную глубину делает возможным сохранение рельефа поверхности и исключает необходимую при других методах упрочнения последующие механические процессы (шлифовка, полировка и т.д.) для доработки и доводки изделия с требуемой точностью.

Исходя из анализа литературных данных, а также особенностей в физических и химических свойствах титана и его сплавов, нами предложен следующий режим работы установки: обработка поверхности образцов из исследуемых сплавов монохромным лазерным излучением с длиной волны около 1,06 мкм (что составляет 1060 нм), с величиной плотности мощности лазера около 10000 Вт/см2. При этом обработка поверхности проводилась методом непересекающегося воздействия.
Периодичность термических циклов при действии лазерного излучения самая малая в сравнении со всеми остальными традиционно применяющимися методами обработки поверхности сплава и может составлять от 0,1 с до 1 с. При выполнении данных условий мы обеспечили высокие скорости нагрева и охлаждения участков поверхности образцов, в результате чего получили довольно значительное увеличение твердости по Бринеллю (табл. 1).

Полное содержание на http://srcms.ru/jarits/36/36-08.html