Влияние технологических параметров селективного электронно-лучевого спекания и горячего изостатического прессования на формирование структуры и свойств сплава Ti-6Al-4V медицинского назначения : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.01
ОГЛАВЛЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………… 2
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ ………………………………………………… 5
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………… 7
ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ
ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
………………………………………………………………………………………………………………………. 16
1.1 Аддитивное производство титановых сплавов………………………………………. 16
1.1.1 Применение аддитивного производства титановых сплавов в медицине 19
1.1.2 Особенности сплава Ti-6Al-4V …………………………………………………………… 25
1.1.3 Изготовление порошков для аддитивного производства …………………….. 27
1.1.4 Ключевые свойства порошков для аддитивного производства ……………. 29
1.2 Аддитивная технология селективного электронно-лучевого спекания ……… 31
1.2.1 Оборудование для селективного электронно-лучевого спекания ………… 32
1.2.2 Описание процесса селективного электронно-лучевого спекания……….. 35
1.2.3 Рециркуляция порошка в процессе селективного электронно-лучевого
спекания ……………………………………………………………………………………………………. 37
1.2.4 Математическое описание селективного электронно-лучевого спекания
………………………………………………………………………………………………………………….. 39
1.2.5 Параметры процесса селективного электронно-лучевого спекания …….. 41
1.3 Горячее изостатическое прессование для аддитивно произведенных
компонентов…………………………………………………………………………………………………. 48
1.4 Выводы и постановка целей и задач исследования …………………………………… 54
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ……………………………. 56
2.1. Материал исследования ………………………………………………………………………….. 57
2.2 Селективное электронно-лучевое спекание сплава Ti-6Al-4V ………………….. 58
2.3 Параметры горячего изостатического прессования ………………………………….. 61
2.4 Моделирование селективного электронно-лучевого спекания ………………….. 61
2.5 Методы исследования микроструктуры …………………………………………………… 62
2.6 Методы исследования порошка ……………………………………………………………….. 65
2.7 Методы исследования механических свойств ………………………………………….. 65
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО
СПЕКАНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВА Ti-6Al-4V ……………….. 67
3.1 Моделирование селективного электронно-лучевого спекания Ti-6Al-4V….. 67
3.2 Формирование структуры сплава Ti-6Al-4V …………………………………………….. 70
3.3 Свойства аддитивно произведенного сплава Ti-6Al-4V ……………………………. 74
3.4 Выводы …………………………………………………………………………………………………… 78
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
СЕЛЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО СПЕКАНИЯ НА СТРУКТУРУ И
СВОЙСТВА СПЛАВА Ti-6Al-4V …………………………………………………………………… 79
4.1 Влияние используемого порошка на формирование структуры и свойства
сплава Ti-6Al-4V ………………………………………………………………………………………….. 79
4.1.1 Классификация морфологических дефектов порошка Ti-6Al-4V ………… 81
4.1.2 Изменение содержания кислорода в аддитивном процессе …………………. 85
4.1.3 Сравнение микроструктуры и механических свойств образцов,
изготовленных из первичного и многократно использованного порошка Ti-6Al-
4V ……………………………………………………………………………………………………………… 88
4.2 Влияние расстояния шага электронного луча на структуру и свойства сплава
Ti-6Al-4V ……………………………………………………………………………………………………… 93
4.3 Влияние ориентации и позиционирования аддитивно произведенных
образцов Ti-6Al-4V на структуру и свойства сплава ……………………………………. 103
4.4 Выводы………………………………………………………………………………………………. 109
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕГО ИЗОСТАТИЧЕСКОГО ПРЕСОВАНИЯ НА
ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВА Ti-6Al-4V ПОЛУЧЕННОГО
МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО СПЕКАНИЯ ……. 111
5.1 Изменение микроструктуры образцов Ti-6Al-4V под влиянием горячего
изостатического прессования. …………………………………………………………………….. 111
5.2 Исследование пористости образцов Ti-6Al-4V до и после горячего
изостатического прессования методом компьютерной микротомографии. …… 116
5.3 Эволюция механических свойств образцов Ti-6Al-4V под влиянием горячего
изостатического прессования. …………………………………………………………………….. 117
5.4 Выводы …………………………………………………………………………………………………. 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………. 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………… 129
ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………………………………………. 149
Приложение А. Акт использования результатов диссертационной работы… 149
Приложение Б. Хирургическая имплантация индивидуальных медицинских
изделий по результатам диссертационной работы. ……………………………………. 150
Приложение В. Новации в аддитивные производства имплантатов методом
СЭЛС сплава Ti-6Al-4V (Израильский институт металлов Технион) ………… 154
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день поиск новых
энерго-эффективных и экологичных способов производства металлических
компонентов, обладающих высокими механическими свойствами и сложной
геометрией, остро стоит во многих отраслях промышленности: в медицине, в
аэрокосмической отрасли, в автомобилестроении.
Аддитивные производственные методы, начавшись с прототипирования, на
данный момент представляют реальную альтернативу традиционным
промышленным методам производства. Эти новые методы позволяют работать с
широким спектром материалов, включая высокотемпературные и рефракторные
сплавы стратегического назначения, такие как, например, титановые сплавы. Более
того, для ряда технических задач, аддитивное производство обладает уникальными
преимуществами, в первую очередь, в плане изготовления сложногеометрических
компонентов.
По сравнению с традиционными (субтрактивными) технологиями
производства металла, которые подразумевают механическую обработку для
придания конечной формы изделия, аддитивные технологии имеют ряд
принципиальных преимуществ.
– экономия сырья: аддитивное построение детали позволяет свести потери
металла к минимуму, при традиционных методах такие потери сырья могут
составлять до 85%;
– форм фактор: аддитивные технологии позволяют производить изделия с
максимально сложной геометрией, что при изготовлении медицинских
имплантатов позволяет более полно учитывать антропометрические особенности
пациента;
– генеративный дизайн: аддитивные технологии дают обширные
возможности по использованию ячеистых структур в конструкции имплантата для
более эффективного прорастания тканей;
– скорость производства: аддитивный процесс построения
персонализированных имплантатов позволяет значительно сократить цикл от
разработки проекта до готового изделия.
Дополнительно к перечисленным выше преимуществам, следует учитывать
высокую потребность промышленности в металлических сплавах с определенным
набором механических и физических свойств. Например, на данный момент более
70% костных имплантатов изготавливаются из металлов и сплавов. Соотношение
остается неизменным благодаря их высокой прочности и долговечности, а также
относительной доступности материала, поэтому в данный момент современные
металлические материалы невозможно полностью заменить керамиками или
полимерными материалами. В случае использования титановых сплавов в
медицине, прежде всего сплава Ti-6Al-4V, ключевым свойством является также его
биосовместимость.
Двухфазные (α+β)-титановые сплавы, такие как сплав Ti-6Al-4V, широко
используются для аддитивного производства медицинских изделий благодаря
уникальному сочетанию высокой удельной прочности, стабильности свойств при
различных температурно-временных параметрах обработки, коррозионной
стойкости, низкого модуля упругости, биосовместимости и отсутствию
токсичности. Необходимый уровень свойств сплава обеспечивается в результате
формирования структурного и фазового состояний в результате аддитивного
процесса, а также методами термической и термо-деформационной постобработок.
В области медицины и в аэрокосмической отрасли получили развитие ряд
аддитивных технологий, использующие в качестве сырья проволоку или порошок
Ti-6Al-4V, а в качестве источника энергии лазер, электронный луч, или
электрическую дугу. Среди промышленно работающих аддитивных процессов
Селективное Электронно-Лучевое Спекание (СЭЛС) отличается следующими
технологическими преимуществами: высокомощный электронный луч
обеспечивает более эффективное и быстрое проплавление материала; возможность
построения при минимальном количестве поддержек; печатный материал не имеет
остаточных напряжений (либо они пренебрежимо малы); меньшая пористость и
более чистая по примесям технология по сравнению с лазерным процессом; а также
порошки для СЭЛС не являются воспламеняемыми в воздухе как порошки для
лазерной печати.
Сырьем для процесса СЭЛС являются металлические порошки, к которым
предъявляются особые требования по фракционному и химическому составу,
структуре, качеству поверхности, текучести и насыпной плотности. Основные
требования к порошку регулируются стандартом ASTM F3049 (руководство по
характеристике металлических порошков для аддитивного производства) [1], что
позволяет наряду с контролем параметров процесса СЭЛС, а также соблюдением
требований к переработке использованного порошка, обеспечить необходимую
структуру и свойства индивидуализированных титановых компонентов наряду с
повторяемостью свойств при аддитивном процессе.
Важным является также понимание того факта, что АП является этапом
производственного процесса, а не самим конечным таковым процессом. Это
значит, что необходимо понимание и исследование материала как до СЭЛС
(разработка, изучение, и контроль свойств порошков), в самом аддитивном
процессе (параметры процесса), а также разработка эффективных процедур
постобработки до повышения плотности и механических свойств до требований
стандартов. На каждом этапе этой производственной цепочки происходит
изменение микроструктуры и макроструктуры материала.
Степень разработанности темы исследования.
В настоящее время процессу СЭЛС сплава титановых сплавов посвящено
достаточно много работ. Активно проводят исследования влияния параметров
аддитивного процесса на структуру и свойства титановых сплавов. Среди
исследований следует выделить работы A. Koptyug, J. Karlsson, P. Wang, H. Gong,
L. Rannar, E. Tiferet, V. Petrovic, H. Gong, A.A. Antonysamy. В работах
рассматриваются различные вопросы, в частности механические свойства
титановых сплавов изготовленных методом СЭЛС, шероховатость поверхности,
соответствие размеров CAD (Computer-Aided Design) и синтезированных образцов,
а также влияние качества исходного порошка на аддитивный процесс,
составляются карты зависимости механических свойств образцов от расположения
на платформе построения. Исследуются параметры термической и термо-
деформационной обработок для постобработки титановых сплавов изготовленных
методом СЭЛС.
На сегодняшний день имеется крайне малое количество исследований
влияния особенностей переработки порошка Ti-6Al-4V в процессе СЭЛС на
механические свойства синтезируемого справа. Отсутствуют данные по влиянию
морфологических дефектов использованного в СЭЛС порошка на структуру и
механические свойства сплава Ti-6Al-4V.
Отсутствуют сравнительные данные по фазообразованию, протекающие в
сплаве Ti-6Al-4V при применении первичного и использованного порошка, в
качестве сырья для аддитивного процесса.
Целью настоящей работы является комплексное изучение закономерностей
формирования структуры и фазового состава сплава Ti-6Al-4V, полученного
методом аддитивного производства, а именно селективного электронно-лучевого
спекания (СЭЛС) с последующим горячим изостатическим прессованием (ГИП)
для обеспечения формирования высокого комплекса механических свойств при
производстве персонализированных изделий медицинского назначения.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследовать процессы фазообразования и формирования текстуры,
протекающие в сплаве Ti-6Al-4V в процессе СЭЛС и под воздействием ГИП;
2. Установить влияние технологических параметров процесса СЭЛС на
формирование структуры и механические свойства сплава Ti-6Al-4V;
3. Изучить влияние морфологии и химического состава исходного
порошка на структуру и механические свойства сплава Ti-6Al-4V;
4. Исследовать влияние ГИП на структуру и свойства сплава Ti-6Al-4V,
изготовленного методом СЭЛС.
Научная новизна и теоретическая значимость работы:
1. Методом ориентационной микроскопии установлены закономерности
формирования текстуры α и β-фаз, как при синтезе изделия методом СЭЛС из
сплава Ti-6Al-4V, так и при его дальнейшей обработке методом ГИП.
2. Произведено моделирование процесса СЭЛС на основе метода
конечных элементов (МКЭ). С помощью которого была составлена карта
распределения температур в верхнем слое изделия, а также схема
термоциклирования кристаллизовавшегося слоя (циклы нагрева/охлаждения) в
процессе СЭЛС.
3. Впервые экспериментально установлено влияние морфологических
дефектов использованного в СЭЛС порошка на структуру и механические свойства
сплава Ti-6Al-4V.
4. Установлены особенности разрушения сплава Ti-6Al-4V после СЭЛС
и ГИП как при статическом, так и при многоцикловом нагружении.
Практическая значимость работы:
Разработка и усовершенствование новых технологий направлены на
обеспечение нужд промышленности в сложных компонентах с прогнозируемыми
высокими механическими свойствами. Аддитивные технологии проходят активное
внедрение в разных отраслях промышленности, причем касаемо титановых
сплавов, речь идет о критически важных отраслях – медицине, космосе,
авиапромышленности и автомобильной отрасли. Реализация и внедрение
предлагаемых подходов к параметризации процесса СЭЛС, стандартизации
рециркуляции и повторного использования порошковых материалов, оптимизации
и контролю термической постобработки, будут способствовать повышению
качества титановых компонентов, удешевлению аддитивного производства, и
повышению эффективного использования титановых материалов.
О реальной практической значимости проведенной работы свидетельствует
тот факт, что ее промежуточные результаты способствовали успешной
международной сертификации по стандарту ISO 13485:2003 изготовления
титановых имплантатов процессом СЭЛС в Израильском институте металлов.
С помощью полученных экспериментальных данных, были:
1. Разработаны режимы АП СЭЛС, позволяющие получить
персонализированные медицинские изделия с минимальной пористостью, а также
с микроструктурой, обеспечивающей высокие механические свойства.
2. Разработаны рекомендации по позиционированию
персонализированных медицинских изделий на платформе построения (в том
числе, компоновка АП из нескольких изделий для повышения производительности
аддитивного процесса) позволяющие сохранить достаточную однородность
структуры и комплекс свойств.
3. Установлено влияние переработки порошка после СЭЛС, на изменение
химического состава и механических свойств сплава Ti-6Al-4V. Разработаны
подходы к повторному применению использованного порошка для достижения
заданного набора свойств персонализированных медицинских изделий, с
применением ГИП. (допустимое количество циклов СЭЛС с учетом последующей
переработки, критерии утилизации порошка).
4. Установлен режим, ГИП приводящий к значительному повышению
усталостных свойств изделий СЭЛС за счет устранения остаточной пористости
после АП.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе
Техниона – Израильского технологического института, в рамках курса
«Аддитивное производство для инженеров», а также в процессе планирования и
разработки индивидуальных медицинских изделий ветеринарного госпиталя
«Сколково-Вет», г. Москва (см. Приложение А).
Методология и методы диссертационного исследования.
Методологической основой исследования послужили работы ведущих
зарубежных и российских ученых в области титановых сплавов, а также
аддитивной технологии СЭЛС, государственные стандарты American Society for
Testing and Materials (ASTM). Для достижения поставленной цели и задач в
диссертационной работе были использованы следующие методы исследования:
растровая электронная микроскопия с использованием ориентационной
микроскопии, основанной на анализе дифракции обратно рассеянных электронов
(EBSD), инструментальные методы измерения механических свойств, а также
математическое моделирование аддитивного процесса методом конечных
элементов.
Положения, выносимые на защиту
1. Структура, текстура, фазовый состав и уровень механических
характеристик сплава Ti-6Al-4V, изготовленного методом СЭЛС.
2. Зависимость микроструктуры сплава Ti-6Al-4V от технологических
параметров процесса СЭЛС.
3. Зависимость микроструктуры и механических характеристик сплава
Ti-6Al-4V, изготовленного методом СЭЛС, от морфологии и химического состава
используемого порошка.
4. Влияние ГИП на микроструктуру, текстуру и механические
характеристики сплава Ti-6Al-4V.
Степень достоверности результатов, полученных в работе, обеспечена
большим объемом проведенных исследований с использованием современного
высокоточного оборудования, применением взаимодополняющих методов
исследований и испытаний, а также апробацией результатов работы. Работа
соответствует современным научным представлениям.
Апробация результатов работы. Работа выполнялась в рамках
сотрудничества между Израильским институтом металлов Технион – Израильский
технологический институт (Израиль) и ФГАОУ ВО «Уральский федеральный
Настоящая работа посвящена комплексному исследованию сплаваTi-6Al-4V,
произведенного методом СЭЛС. В работе были изучены факторы влияния порошка
на конечные свойства материала, а также использование термомеханической
обработки для улучшения плотности сплава, снижение остаточной пористости, и,
как результат, повышение механических усталостных свойств до необходимых
показателей согласно требованиям стандартов к медицинским изделиям из этого
сплава.
Результаты экспериментальных данных были проанализированы и с точки
зрения математического моделирования, и проверены на соответствие данным
литературного обзора.
В диссертационной работе выполнены все поставленные задачи и получены
следующие результаты:
1. Механизмы фазообразования в сплаве Ti-6Al-4V, произведенного методом
СЭЛС, были подробно изучены. Показано, что исходные столбчатые β-зерна
являются результатом эпитаксиального роста на подложке из ранее сплавленных
слоев, что приводит к формированию текстуры кристаллизации <001>β в
направлении синтеза изделия, совпадающего с направлением теплоотвода.
Установлено, что в процессе СЭЛС формируется достаточно равновесная (α+β)-
пластинчатая микроструктура со средней толщиной пластин β-фазы 1,8±0,3 мкм и
объемной долей Vβ=3,3±0,3%.
Текстура α-фазы в сплаве Ti-6Al-4V, полученном методом СЭЛС,
наследуется от высокотемпературной β-фазы в соответствии с ОС Бюргерса.
Текстура βtr-фазы в процессе многократных фазовых перекристаллизаций частично
сохраняет текстуру <001>β –высокотемпературной. В результате фазовой
перекристаллизации также образуются βtr-фазы, отличные от ориентаций
высокотемпературной β, но связанные с α-фазой ОС Бюргерса.
2. Было проанализировано влияние ряда параметров процесса СЭЛС на
микроструктуру сплава Ti-6Al-4V и его механические свойства.
Установлено, что увеличение расстояния ШЛ свыше рекомендуемого
значения в 100 мкм, до 400 мкм, приводит к формированию более дисперсной
микроструктуры α-пластин в результате меньшей температуры нагрева слоя,
вызванной увеличением расстояния между проходами электронного луча в
процессе спекания, при этом наблюдается увеличение пористости материала за
счет увеличения количества зон непроплава. Уменьшение расстояния ШЛ со 100
мкм до 50 мкм приводит к большему укрупнению микроструктуры материала, что
может отрицательно повлиять на механические свойства образцов, в то же время
количество зон непроплава уменьшается.
Установлено, что вертикальная ориентация образцов предпочтительна как
точки зрения значений микротвердости, так с точки зрения минимизации
количества поддерживающих структур. Для повышения производительности
процесса СЭЛС необходимо вертикально ориентировать детали на платформе
построения с расстоянием не менее 2 мм между деталями, что позволяет не
допускать перегрева зоны построения, при этом уменьшение расстояние менее 2
мм нужно совмещать с большими расстояниями ШЛ (200 мкм), тем самым,
дополнительно повышая производительность аддитивного процесса.
3. Морфологические дефекты порошка, возникающие в процессе СЭЛС, в
результате термических и механических причин, были изучены и
охарактеризованы. Установлено влияние переработки порошка после СЭЛС на
изменение химического состава и механических свойств сплава Ti-6Al-4V.
Показано, что содержание кислорода в порошке до 35 циклов переработки в
процессе СЭЛС соответствует стандарту ASTM F2924. В зависимости от
требований к конструкционной прочности, возможно многократное использование
порошка, при условии соблюдении технологии переработки (контроль
температуры и влажности).
Для порошка после 70 циклов переработки в процессе СЭЛС показано, что
применение многократно использованного порошка приводит к снижению
механических свойств изделия в следствии увеличения количества пор и зон
непроплава, а также увеличению содержания кислорода более чем в 2 раза от
показателей первичного порошка, выраженном в увеличении степени окисления
частиц, что сопровождается снижением пластичности (относительного удлинения
в среднем на 76%, относительного сужения в среднем на 69%), а также снижением
количества циклов до разрушения в среднем на 65%.
Выявлены закономерности разрушения образцов изготовленных из
первичного и многократно использованного порошка, в первом случае разрушение
началось ближе к центральной оси образца, во втором ближе к поверхности.
4. Было проведено исследование влияния ГИП на микроструктуру, и
механические свойства сплава Ti-6Al-4V, изготовленного методом СЭЛС.
Выбранный режим ГИП приводит к значительному повышению усталостных
свойств изделий СЭЛС, что обусловлено повышением трещиностойкости
посредством закрытия остаточной пористости.
Показано, что сплав, подвергнутый ГИП, характеризуются существенно
более рассеянной текстурой α-фазы в результате протекания процессов
сфероидизации и коагуляции, что сопровождается снижением микротвердости.
Несколько больший размер dβ (2.5±0.3 мкм), по-видимому, предполагает более
глубокое развитие рекристаллизационных процессов.
Установлено, что ГИП уменьшает количество внутренних дефектов, что, в
свою очередь, приводит к значительному повышению пластических свойств, а
именно относительное удлинение увеличивается в среднем на 41%, а
относительное сужение на 48%, при любом уровне нагрузки, относительно
заготовок АП. Кроме того, образцы после ГИП демонстрируют значительное
снижение разброса механических свойств.
Показано, что ГИП значительно повышает усталостные свойства изделий
СЭЛС из первичного и многократно использованного порошка, в среднем на ~80%
при сохранении пластических свойств заготовок АП, свойств изделий из
первичного порошка (в среднем на 83,6%).
Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности применения
аддитивной технологии СЭЛС и последующей постобработки ГИП для
изготовления индивидуальных медицинских изделий из сплава Ti-6Al-4V.
Успешное практическое использование разработанных режимов СЭЛС и
ГИП подтверждено актами внедрения и использования на профильных
предприятиях отрасли (см. Приложение А).
Направления дальнейшей разработки темы исследования
1. Исследование биосовместимых сплавов на основе титана с
легирующими добавками, циркония, тантала и ниобия.
2. Создание функционально-градиентных материалов и конструкций
медицинского назначения на основе титана.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (1241 отзыв)
4.5 (330 отзывов)
4.8 (37 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
4.7 (18 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
5 (8 отзывов)
5 (9 отзывов)
