WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Измерение характеристик ЭЗФ проволочных образцов из сплава TiNi, такие как жесткость и усилия компрессии, а также испытания проволочных образцов по схеме трехточечного изгиба проводили с помощью установки ТМС 2М.01, разработанной специально для испытания медицинских имплантатов. Для исследования механического поведения сплавов при различных температурах проволочные образцы подвергали испытаниям на трехточечный изгиб.

Металлографические исследования проводили с помощью оптического микроскопа NEOPHOT-30 при увеличениях до 1000 крат, и электронном микроскопе Jeol при увеличениях до 2000 крат. Металлографические шлифы делались по стандартным методикам. Исследование химического состава сварных образцов из сплава ТНизучали на растровом электронном микроскопе JSM-6060A (JEOL, Япония) при различных увеличениях. Экспериментальные данные подвергали обработке методами математической статистике.

Глава 3. Исследование процесса диффузионной сварки и разработка технологии получения пористых имплантатов из сплава ВТ-1-Исследование влияния режимов диффузионной сварки на структуру и свойства соединений из сплава ВТ-1-00 проводили на проволочных модельных образцах, имитирующих единичный контакт в пористой конструкции.

Диффузионную сварку проводили при различных температурах – 820, 870 и 920°С в течении 0,5, 1, 1,5 ч, и давлении 8 и 12 Н. Для определения прочностных свойств соединения образцы подвергались испытаниям на срез. Качество сварного соединения определяли при исследовании микроструктуры в зоне сварки. Анализ микроструктуры в зоне соединения показал, что при температуре 820С на границе контакта в зоне диффузионного соединения имеет место большое количество пор, приводящих к снижению прочностных свойств (рис. 1, а). В ряде случаев поры между свариваемыми поверхностями наблюдаются вдоль всей зоны контакта.

Установлено что при температуре 870С количество и размер пор резко снижается, а при 920С поры не наблюдались (рис 1, б и в). После процесса диффузионной сварки определяли изменение высоты контакта h под действием внешней нагрузки.

С увеличением температуры сварки величина h возрастает линейно (0,2мм – 0,7мм). Как показали механические испытания, с увеличением температуры диффузионной сварки (от 820 до 920С) усилие разрушения увеличивается (с 60 до 260 H). Увеличение времени выдержки при температурах 820 и 870С диффузионного спекания приводит к росту усилия разрушения и величины h, однако ее увеличении не существенно.

а) б) Рис. 1. Зона контакта после диффузионной сварки в течение 1 часа при температуре 820С (а), 870С (б), 920С (в), 350.

в) Таким образом, анализ результатов механических испытаний и исследование микроструктуры показал, что оптимальным режимом диффузионной сварки проволочных полуфабрикатов можно считать 920С, 1ч. На следующем этапе решалась задача получения пористых конструкций, обладающих необходимой прочностью и требуемой проницаемостью.

Технология включает в себя следующие этапы: навивку проволоки в первичную спираль; раскатка спирали в полосу; навивка полосы во вторичную спираль; формование проволочной спирали в пресс-форме. Полуфабрикат после прессования имеет габаритные размеры (диаметр и высота) близкие конечным, в процессе прессования формируются зоны контактов, по которым позже происходит послойное соединение слоев конструкции в процессе диффузионной сварке.

Оснастка для сварки аналогична оснастке для прессования проволочного полуфабриката и представляет собой цилиндрическую матрицу и два пуансона (нижний и верхний). В сварочный процесс входит: 1) нагрев до температуры сварки, равной 920°С, в течении 30 минут; 2) нагружение и выдержка в течении 1 часа; 3) охлаждение до комнатной температуры. В процессе диффузионной сварки осуществляли деформацию полуфабрикатов до заданной высоты с целью получения конструкций с заданной пористостью. Пробные эксперименты сварки прессованных заготовок показали принципиальную возможность получения полуфабрикатов с различной пористостью. Для исследований механического поведения пористых конструкций и оценки прочностных свойств полуфабрикаты имплантатов были подвергнуты деформации сжатием. Максимальная прикладываемая нагрузка к ним составляла 100000Н, а относительное уменьшение высоты конструкций достигало 60%. В течение испытания установлено, что при данных степенях деформации в процессе пластической деформации в испытываемых конструкциях не наблюдалось трещин. Анализ полученных кривых деформации показал, что жесткость модельных конструкций имплантатов в зависимости от их пористости и высоты может изменяться в пределах от 5000 до 30000 Н/мм. Для сравнения жесткость тела позвонка варьируется в интервале 3000-8500H. Для определения прочности сварки в конструкции были проведены их испытания на срез по схеме трех точечного изгиба.

В процессе испытания нагрузке подвергался серединный участок изделия, включающий несколько сваренных слоев. При испытании фиксировалось значение, при котором происходило начало разрушения. Установлено, что прочность на срез имплантата составляет не менее 400H, при этом оптимальным соотношением пористости и прочности обладают имплантаты с пористостью на уровне 45-50%.

Анализ результатов механических испытаний показал что, уровень механических свойств сварных соединений удовлетворяет требованиям, предъявляемым к изделию. Однако он значительно ниже значений, полученных в модельных экспериментах. Это связано с тем, что для получения изделия с требуемыми значениями пористости на уровне 45-50% в процессе сварки осуществляется контролируемая деформация по ограничителям высоты. В связи с этим деформация в единичных контактах, а значит и площадь сварки в конструкции значительно меньше, чем на модельных образцах.

Глава 4. Изучение влияния термоводородной обработки на механические свойства сварных соединений из сплава ВТ-1-00 и оптимизация режимов диффузионной сварки пористых имплантатов В главе 4 изучено влияние термоводородной обработки на повышение прочности сварных соединений в пористом имплантате из ВТ-1-00, и возможность управления режимами диффузионной сварки. Для выбора оптимального режима термоводородной обработки были проведены исследования влияния содержания водорода на структуру и свойства сварных образцов из сплава ВТ1-00, полученных при разных режимах ДС.

Исследование проводили на модельных проволочных крестообразных образцах. Наводороживание образцов осуществляли до концентрации 0,2, 0,4 и 0,масс. % Н. Установлено, что при наводороживании образцов до концентрации 0,масс.% диффузионные процессы в зоне сварки протекают наиболее интенсивно.

Анализ структуры в зоне диффузионного соединения, показал, что, если до наводороживания в образцах можно было отчетливо проследить границу раздела в зоне сварки, то после насыщения водородом значительные участки зоны сварки представляются единым целым. На этих участках фазовые превращения, и +, протекающие по диффузионному механизму полностью стирают границу раздела. Кроме того, в зоне диффузионной сварки исчезают поры, даже у образцов, свариваемых при 820С. Для удаления водорода из сплава ВТ1-проводили вакуумный отжиг при двух режимах – при 600С, длительностью 2 часа, и при 800С, длительностью 0,5 часа. Применение отжига 600С, 2 часа позволяет повысить прочность образцов, полученных при температуре диффузионной сварки 820 и 870С, на 4060 %, а образцов, полученных при температуре 920С – на 20 % (табл. 2). В тоже время вакуумный отжиг 800С, 0,5часа не приводит к существенному повышению прочностных свойств диффузионного соединения, что может быть связано с образованием грубой пластинчатой структуры. Оптимальным явилось проведение вакуумного отжига при 700С, в течении 1 часа. Исследование механических свойств в пористой сварной конструкции по схеме трехточечного изгиба показало, что применение ТВО позволяет гарантировать уровень разрушающих усилий не менее 1000Н. Для определения влияния ТВО на прочность отдельных сварных контактов на отрыв было проведено сравнительное испытание конструкций, полученных без применения ТВО и после ТВО. Для этого имплантаты подвергали последовательному разрушению растяжением сварных контактов конструкции. Результаты испытания показали (рис. 2) что прочность единичных контактов на отрыв у конструкций, подвергавшихся ТВО, выше, чем у не подвергавшихся такой обработке.

Таблица Механические свойства сварных соединений из сплава ВТ-1-после разных режимов обработки Усилия разрушения образцов, Н Режим диффузионной Режим вакуумного отжига ТВО Без ТВО сварки 600С, 2 часа 800С, 0,5 часа 820С, 1 час 60±5 90±10 85±820С, 1,5 час 75±5 110±10 105±870С, 1 час 120±10 175±10 125±870С, 1,5 часа 140±10 220±10 (*) 170±10 (*) 920С, 1 час 260±5 (*) 320±5 (*) 235±5 (*) * – образец разрушился рядом со сварным соединением.

Кроме того, после ТВО количество фиксируемых сварных контактов возрастает более, чем в 2 раза. Это свидетельствует о том, что применение дополнительной термоводородной обработки позволило повысить уровень прочности в сварных контактах, в том числе и с минимальным значением прочности, которые ранее не фиксировались на измерительном приборе испытательной машины.

а) б) Рис. 2. Прочность единичных контактов пористых изделий после диффузионной сварки (а) и после дополнительной ТВО (б) Установлено, что использование режима ТВО, включающего наводороживание 800-850С до 0,75 – 0,8 %Н по массе, затем снижение температуры до 600С и снижение содержания водорода до концентрации 0,1 0,масс. % позволяет создать в материале структурное состояние, способствующее хорошей обрабатываемостью резанием, что позволяет создавать пористые конструкции имплантатов с дополнительными фиксаторами, в частности из сплавов с эффектом памяти формы.

Показано, что использование разработанного режима ТВО сварных конструкций позволяет оптимизировать технологию получения пористых конструкций имплантатов.

Конструкции имплантатов и технологические рекомендации по производству имплантатов для замещения тел позвонков внедрены в серийное производство ЗАО «КИМПФ» (рис. 3).

Рис. 3. Имплантаты для замещения тел позвонков из сплава ВТ-1-Глава 5. Изучение процесса диффузионной сварки сплавов на основе TiNi и исследование физико-механических и коррозионных свойств сварных соединений В главе 5 изучен процесс диффузионной сварки сплавов на основе никелида титана, исследовано влияние высокотемпературной обработки на структуру и свойства свариваемых полуфабрикатов, возможность управления характеристиками СУ и ЭЗФ в сварных конструкциях, коррозионная стойкость сварных соединений из TiNi в условиях организма человека. Показана перспективность применения технологии диффузионной сварки при создании имплантатов для динамической стабилизации позвоночника.

Исследование процесса диффузионной сварки проводили на листовых полуфабрикатах из сплава ТН1 (Ti-54,2масс.%Ni). Сварные соединения получали внахлест, с площадью перекрытия 50мм2. Диффузионную сварку проводили при Т=800, 900, 1000, 1100С, давление 10-30МПа, время от 15 до 60 минут. На полученных сварных образцах изучали прочность на срез. По результатам испытаний установлено влияние параметров диффузионной сварки на прочность соединения (рис. 4). Образцы полученные при 800С, обладали минимальной прочность на уровне 140МПа, а максимальной прочность обладают образцы, полученные при Т=1100С. В зависимости от давления и времени сварки их прочность составляет не менее 400МПа. Максимальная прочность получена при режимах Т=1100С, P=20МПа, t=30-60 мин, и составляет не менее 500МПа.

Исследование микроструктуры в зоне сварных образцов (рис. 5), полученных при оптимальном режиме, показали, что сварной участок можно условно разбить на 3 зоны: краевые участки, переходная зона и основная зона. Первая зона представляет собой дефектные краевые участки там, где не произошла сварка в силу отклонений плоскостности свариваемых поверхностей, а также неравномерности распределения давления в процессе сварки. Исследование химического состава свариваемых поверхностей показало, что они содержат до 15масс.% кислорода. Этот участок составляет не более 10% от общей протяженности линии сварки. Вторая, переходная зона представляет собой участок с фиксируемой границей раздела в виде скопления интерметаллидов.

Рис. 4. Влияние параметров сварки на прочность соединения (при давлении 20 МПа) 900 оС,1ч 1000, 1ч 1100, 15мин 900 оС, 1ч 1000 оС, 1ч 1100 оС, 15 мин Режим сварки Исследование химического состава поверхностей показало, что содержание кислорода снизилось и составляет 6-7 масс.%, а в целом химический состав представляет собой обогащенные титаном интерметаллиды Ti2Ni (рис. 5, а и в).

Третья, основная зона сварного соединения по своему химическому составу сопоставима с основным материалом (рис. 5, б и г). Таким образом, установлено, что при разработанном режиме диффузионной сварки можно получить качественное соединение с химическим составом, близким к основному материалу.

При этом наличие краевых дефектов приводит к доступу в зону сварки остаточного кислорода, блокирующего процессы диффузионной сварки, а по мере его снижения до уровня не более 7 масс.% способствует образованию диффузионного соединения обогащенного интерметаллидами Ti2Ni Прочность при сдвиге, МПа а) б) в) г) Рис. 5. Микроструктура и химический состав в зоне диффузионной сварки сплавов на основе TiNi Для определения влияния высокотемпературной обработки в процессе сварки на структуру и характеристики СУ и ЭЗФ были проведены металлографические исследования структуры полуфабрикатов из TiNi при различных температурах в течение 1 часа. Исследования проводили на проволочных образцах диаметром от 2,до 2,6 мм с различным содержанием Ni и способом выплавки (плавки № 1 и №2).

Температуру термообработки варьировали в интервале от 700 до 1120°С.

Установлено, что в процессе отжигов морфология, размер и характер распределения по телу зерна частиц Ti2Ni принципиально не менялась при нагреве вплоть до температуры 1120С. С увеличением температуры отжига происходит снижение объемной доли интерметаллида Ti2Ni (с 13 до 10%), а частицы Ti2Ni с ростом температуры приобретают лишь более сферическую форму.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»