Сверхупругие сплавы Ti–Nb–Zr и Ti–Nb–Ta для медицины

Сверхупругие титановые сплавы Ti–Nb–Zr и Ti–Nb–Ta — сплавы титана с ниобием и цирконием или с ниобием и танталом, разработанные для медицинских имплантатов. В них нет никеля, ванадия и алюминия, а модуль упругости заметно ближе к кости, чем у привычных титановых сплавов. Мы поставляем порошки и порошковые заготовки этих сплавов по техническому заданию заказчика. Запросы принимаем на почту 5052082@mail.ru.

Зачем нужны новые сплавы для имплантатов

Самые распространённые металлические материалы для имплантатов — титановый сплав ВТ6 (Ti-6Al-4V) и никелид титана — содержат алюминий, ванадий или никель, которые нежелательны при долгом контакте с тканями. Кроме того, модуль упругости Ti-6Al-4V — около 110 ГПа, во много раз выше, чем у кости. Слишком жёсткий имплантат забирает нагрузку на себя, и кость вокруг него со временем ослабевает.

Сплавы систем Ti–Nb–Zr и Ti–Nb–Ta решают обе задачи: они состоят только из элементов, хорошо совместимых с тканями (титан, ниобий, цирконий, тантал), а модуль упругости у них около 60 ГПа. Некоторые составы к тому же сверхупругие — после деформации на несколько процентов возвращают исходную форму, как никелид титана, но без никеля.

Составы

Ниобий — сильный стабилизатор высокотемпературной β-фазы титана с объёмно-центрированной кубической решёткой. Именно β-структура даёт низкий модуль упругости и сверхупругость. Цирконий и тантал добавляют для тонкой настройки фазового превращения и прочности.

Сплав	Состав	Особенности
Ti-13Nb-13Zr	13 % Nb, 13 % Zr по массе	медицинский сплав по стандарту ASTM F1713
Ti-22Nb-6Zr	22 ат. % Nb, 6 ат. % Zr (≈ 33 % Nb, 9 % Zr по массе)	сверхупругий, изучен в НИТУ МИСИС
Ti-18Zr-15Nb	18 ат. % Zr, 15 ат. % Nb	сверхупругий, β-фаза более 95 % объёма в порошке
Ti–Nb–Ta	например, 30 % Nb и 17 % Ta по массе	сверхупругий, без циркония

Состав подбирают очень точно. Исследования показали, что сплавы Ti-22Nb-(4–6)Zr (ат. %) дают общую обратимую деформацию выше 4,3 % — на 1,3 % больше, чем двойной сплав Ti-26Nb, а в сплаве Ti-22Nb-8Zr уже нет ни памяти формы, ни сверхупругости. Два атомных процента циркония меняют поведение сплава полностью.

Почему такие сплавы удобнее делать из порошка

Ниобий плавится при 2477 °C, тантал — при 3017 °C, а титан — при 1668 °C. При плавке сплава с третью ниобия или тантала трудно добиться однородности: тугоплавкие элементы растворяются медленно, а титан при этом активно взаимодействует с тиглем и газами.

Порошковая технология обходит эти трудности. Один из её вариантов — гидридно-кальциевый синтез: смесь оксидов титана, ниобия и циркония (или тантала) восстанавливают гидридом кальция при 1100–1300 °C. Сплав образуется сразу в виде порошка с заданным составом. Затем порошок прессуют и спекают в вакууме при температуре не ниже 0,93 от температуры плавления сплава, а спечённую заготовку куют или прокатывают.

Свойства порошковых сплавов

Опубликованные результаты для порошковых сплавов, полученных таким путём:

Сплав и состояние	Предел текучести σ0,2, МПа	Модуль упругости, ГПа	Пористость, %
Ti–Nb–Zr, после спекания	555	63	≈ 8
Ti–Nb–Ta, после спекания	440	58	≈ 16
Ti–Nb–Zr, после ротационной ковки	690	64	0
Ti–Nb–Ta, после ротационной ковки	640	72	0

Состав порошка Ti–Nb–Zr — 33,2 % ниобия и 8,6 % циркония по массе, кислорода менее 0,2 %, структура — практически 100 % β-титана. По содержанию примесей внедрения (кислород, азот, углерод, водород) такие сплавы соответствуют ГОСТ 19807-91 на титан и деформируемые титановые сплавы.

Где применяются

• ортопедические имплантаты — стержни, пластины, винты, эндопротезы;
• стоматология — имплантаты и ортодонтические элементы;
• сверхупругие медицинские изделия без никеля — для пациентов, которым нежелателен никелид титана;
• пористые заготовки — спечённый материал с регулируемой пористостью для изделий, где она нужна.

Что указать в заявке

• систему и состав сплава (атомные или массовые проценты);
• нужен порошок или заготовка, её форма и размеры;
• требуемую пористость или плотное состояние;
• требования к примесям (кислород, азот, углерод, водород);
• количество и нужные документы.

Вопросы и ответы

Чем эти сплавы отличаются от никелида титана?

Сверхупругостью оба похожи, но в Ti–Nb–Zr и Ti–Nb–Ta нет никеля. Обратимая деформация у них меньше, зато состав состоит только из биосовместимых элементов.

Можно ли получить пористую заготовку?

Да. Пористость регулируют давлением прессования и режимом спекания: после спекания она может составлять от нескольких до примерно 16 %, а последующая ковка даёт плотный материал.

Где взять сплав Ti–Nb–Zr для плавки?

Для вакуумной плавки предлагаем порошковую лигатуру титан-ниобий-цирконий ТБ34Ц9. Также смотрите порошок ниобия, танталовый порошок и титановые сплавы.

Заказать сплавы Ti–Nb–Zr и Ti–Nb–Ta

Поставим порошки и порошковые заготовки сверхупругих сплавов по вашему техническому заданию. Пришлите состав, форму и размеры заготовок, требования к пористости и количество на почту 5052082@mail.ru — ответим по срокам и стоимости.