Preview

Вопросы материаловедения

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Исследование структуры и свойств нового пористого композиционного материала, полученного прямым лазерным нанесением

https://doi.org/10.22349/1994-6716-2023-116-4-59-68

Аннотация

Показана возможность формирования пористых материалов биомедицинского назначения из сплава ВТ6/Ta/Zr прямым лазерным нанесением. Варьирование мощностью лазера позволило получить сплавы с переменной пористостью. Были подобраны режимы, обеспечивающие формирование пористого материала с модулем нормальной упругости, соответствующим кости человека. Установлено, что при мощности лазера 50 Вт достигается значение пористости 32%, что удовлетворяет требованиям, например, для дентального протезирования. В процессе прямого лазерного нанесения материалов в сплаве ВТ6/Ta/Zr с переменной пористостью частицы тантала не плавятся и выступают центрами кристаллизации. Такие условия обеспечивают формирование высокодисперсной структуры металла, состоящей преимущественно из порошинок ВТ6 с равномерно распределенными частицами Ta и Zr.

Об авторах

А. И. Горунов
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ»
Россия

д-р техн. наук

420111, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, д. 10



В. В. Морозов
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ»
Россия

420111, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, д. 10



Д. В. Гусева
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ»
Россия

420111, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, д. 10



О. В. Кудимов
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ»
Россия

420111, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, д. 10



Список литературы

1. Matsko A., França R. Design, manufacturing and clinical outcomes for additively manufactured titanium dental implants: A systematic review // Dentistry Review. – 2022. – V. 2. – Art. 100041.

2. Li Y., Jahr H., Zhou J., Zadpoor A. A. Additively manufactured biodegradable porous metals // Acta Biomaterialia. – 2020. – V. 115. – P. 29–50.

3. Yin C., Zhang T., Wei Q., Cai H., Cheng Y., Tian Y., Leng H., Wang C., Feng S., Liu Z. Surface treatment of 3D printed porous Ti6Al4V implants by ultraviolet photofunctionalization for improved osseointegration // Bioactive Materials. – 2022. – N 7. – P. 26–38.

4. Ильин А. А., Колачев Б. А., Полькин И. С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. – М.: ВИЛС–МАТИ, 2009. – 520 c.

5. Liu C., Huang S., Guo F., Li Y., Zhao B., Luo A., Liu H., Wang C., Hu M., Zhou H. Immediate, non-submerged, three-dimensionally printed, one-piece mandibular molar porous root-analogue titanium implants: A 2-year prospective study involving 18 patients // J. Stomatol. Oral and Maxillofac Surg. – 2022. – V. 123. – P. e770−e776.

6. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. – 664 с.

7. Yuan L., Ding S., Wen C. Additive manufacturing technology for porous metal implant applications T and triple minimal surface structures: A review // Bioactive Materials. – 2019. – V. 4. – P. 56–70.

8. Deering J., Presas A., Yu B., Val ent in D., Heiss C., Bosbach W.A., Grandfield K. Implant resonance and the mechanostat theory: Applications of therapeutic ultrasound for porous metallic scaffolds // Materials Science and Engineering. – 2021. – N 125. – Art. 112070.

9. Rho J.-Y., Kuhn-Spearing L., Zioupos P. Mechanical properties and the hierarchical structure of bone // Medical Engineering and Physics. – 1998. – V. 20. – P. 92–102.

10. Jing R., Liang S. X., Liu C. Y., Ma M. Z., Zhang X. Y., Liu R. P. Structure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy after zirconium addition // Materials Science and Engineering, A. – 2012. – V. 552. – P. 295–300.

11. Jing R., Liang S. X., Liu C. Y., Ma M. Z., Liu R. P. Aging effects on the microstructures and mechanical properties of the Ti20Zr6.5Al4V alloy // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – V. 559. – P. 474–479.

12. XiaC., Zhang Z., Feng Z., Pan B., Zhang X., Ma M. Z., Liu R. Effect of zirconium content on the microstructure and corrosion behavior of Ti–6Al–4V–xZr alloys // Corrosion Science. – 2016. – V. 112. – P. 687–695.

13. Liao Z. N., Luan B. F., Zhang X. Y., Liu R. P., Murty K. L., Liu Q. A multideformation mechanisms assisted metastable β-ZrTiAlV alloy exhibits high yield strength and high work hardening rate // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – V. 816. – Art. 152642.

14. Abnormal martensitic transformation of high Zr-containing Ti alloys / S. X. Liang, L. X. Yin, Y. K. Zhou, X. J. Feng, M. Z. Ma, R. P. Liu, et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – V. 615. – P. 804–808.

15. Jiang X. J., Bao S. J., Zhang L. W., Zhang X. Y., Jiao L. S., Qi H. B., Wang F. Effect of Zr on microstructure and properties of TC4 alloy fabricated by laser additive manufacturing // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – N 24. – P. 8782–8792.

16. Qian H., Lei T., Lei P., Hu Y. Additively manufactured tantalum implants for repairing bone defects: a systematic review // Tissue Eng. Part B: Re. – 2020. – V. 27, N 2. – P. 1–42.

17. Bandyopadhyay A., Mitra I., Shivaram A., Dasgupta N., Bose S. Direct comparison of additively manufactured porous titanium and tantalum implants towards in vivo osseointegration // Addit. Manuf. – 2019. – V. 28. – P. 259–266.

18. Balla V. K., Bose S., Davies N. M., Bandyopadhyay A. Tantalum-A bioactive metal for implant // Jom-Us. – 2010. – V. 62. – P. 61–64.

19. Kaur M., Singh K. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications // Mater. Sci. Eng. C. – 2019. – V. 102. – P. 844–862.

20. Han Q., Wang C., Chen H., Zhao X., Wang J. Porous tantalum and titanium in orthopedics: A review // Acs Biomater Sci. Eng. – 2019. – V. 5. – P. 5798–5824.

21. Roy M., Balla V. K., Bose S., Bandyopadhyay A. Comparison of tantalum and hydroxyapatite coatings on titanium for applications in load bearing implants // Adv. Eng. Mater. – 2010. – V. 12. – P. B637–B641.

22. Roy M., Balla V. K., Bandyopadhyay A., Bose S. MgO-doped tantalum coating on Ti: microstructural study and biocompatibility evaluation // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2012. – V. 4. – P. 577–580.

23. Zhang T., Chen C., Dong J., Wu Y., Qian H., Lei P., Zhou K. Microstructure and biocompatibility of porous-Ta/Ti–6Al–4 V component produced by laser powder bed fusion for orthopedic implants // Materials Characterization. – 2021. – V. 182. – Art. 111554.

24. Rho J.-Y., Ashman R. B., Turner C. H. Young's modulus of trabecular and cortical bone material: Ultrasonic and microtensile measurements // Journal of Biomechanics. – 1993. – V. 26. – P. 111–119.

25. Burstein H., Reilly D. T., Martens M. Aging of bone tissue: mechanical properties // Bone Joint Surg. – 1978. – V. 58. – P. 82–86.

26. Meng J., He J., Zhang B., Chen J., Li S., Niu D., Tang Y. The effect of Ti and Zr content on the structure, mechanics and energy-release characteristics of Ti–Zr–Ta alloys. – Defence Technology, 2023. DOI: doi.10.1016/j.dt.2023.01.007.

27. Fox P., Pogson S., Sutcliffe C.J., Jones E. Interface interactions between porous titanium/tantalum coatings, produced by Selective Laser Melting (SLM), on a cobalt–chromium alloy // Surface and Coatings Technology. – 2008. – V. 202. – P. 5001–5007.

28. Zeng G., Zahiri S. H., Gulizia S., Chen Y., Xu C., Chen X.-B., Cole I. A comparative study of cell growth on a cold sprayed Ti–Ta composite // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – V. 826. – Art. 154014. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.

29. Ji P., Liu S., Deng H., Ren H., Zhang J., Sun T., Xu K., Shi C. Effect of magnetron-sputtered monolayer Ta and multilayer TiZrTa and ZrTiTa coatings on the surface properties of biomedical ВТ6 alloy // Materials Letters. – 2022. – V. 322. – Art. 132464.

30. Lin M.-T., Wan C.-H., Wu W. Characterization and corrosion resistance of TiZr coating on SS304 stainless steel using cathodic arc evaporation techniques // Surface and Coatings Technology. – 2017. – V. 320. – P. 217–225.


Рецензия

Для цитирования:


Горунов А.И., Морозов В.В., Гусева Д.В., Кудимов О.В. Исследование структуры и свойств нового пористого композиционного материала, полученного прямым лазерным нанесением. Вопросы материаловедения. 2023;(4(116)):59-68. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2023-116-4-59-68

For citation:


Gorunov A.I., Morozov V.V., Guseva D.V., Kudimov O.V. Study of structure and properties of a new porous composite material obtained by direct laser deposition. Voprosy Materialovedeniya. 2023;(4(116)):59-68. (In Russ.) https://doi.org/10.22349/1994-6716-2023-116-4-59-68

Просмотров: 206


ISSN 1994-6716 (Print)