Получение низкомодульного сплава системы Ti-Nb методом SLM

В процессе выполнения научно-исследовательской работы проводились исследования по разработке методики селективного лазерного сплавления Ti-Nb порошка. Проводилось выявления подходящих режимов для механической активации порошка Ti и Nb. Изучена морфология порошков Ti и Nb полученных плазмохимическим методом. В результате исследования получен ?-титановый сплав системы Ti-Nb методом SLM. Выявление оптимальных режимов сплавления позволит в дальнейшем использовать материалы системы Ti-Nb для получения имплантатов из системы порошков титана и ниобия.

Оглавление ……………………………………………………………………………………………………. 8
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 11
1 Обзор литературы …………………………………………………………………………………….. 12
1.1 Режимы 3D печати методом SLM ………………………………………………………… 12
1.2 Формирование поверхностного оксидного слоя при SLM печати …………. 14
1.3 3D печать методом SLM сплава Ti-Nb …………………………………………………. 17
1.4 Структура и свойства сплавов на основе Ti полученных с помощью
аддитивных технологий ……………………………………………………………………………….. 18
1.5 Модуль упругости сплавов, полученных с помощью SLM технологии для
биомедицинского применения ……………………………………………………………………… 24
2 Методика проведения эксперимента………………………………………………………….. 35
2.1 Подготовка порошков системы Ti-Nb с помощью планетарной мельницы
«Активатор-2S» …………………………………………………………………………………………… 35
2.1.1 Проведение дисперсионного анализа порошков Ti и Nb ……………………. 37
2. 2 Экспериментальная установка для печати образцов «Луч-500» ……………. 38
2.3 Проведение растровой электронной микроскопии (РЭМ) ……………………….. 42
2.4 Проведение рентгеноструктурного анализа (РСА) ………………………………….. 43
2.5 Измерения нанотвердости и модуля упругости сплава системы Ti-Nb …….. 45
3 Экспериментальные результаты ………………………………………………………………… 46
3.1 Формирование морфологии и состава порошков для получения сплава Ti-Nb
с низким модулем Юнга ………………………………………………………………………………. 46
3.1.1 Морфология порошков Ti и Nb полученных плазмохимическим методом
(РЭМ) ……………………………………………………………………………………………………….. 46
3.1.2 Формирование морфологии и фазового состава смеси порошков Ti-Nb с
помощью механической обработки (РСА) …………………………………………………. 51
3.2 Получение сплава Ti-Nb с помощью технологии SLM…………………………….. 54
3.2.1 Печать единичного слоя порошка системы Ti-Nb …………………………………. 54
3.2.2 Точечная многослойная печать …………………………………………………………. 55
3.2.3 Печать многослойного образца …………………………………………………………. 56
3. 3 Структура и свойства сплава Ti-Nb с помощью технологии SLM …………… 57
3.3.1 Фазовый состав многослойного образца сплава Ti-Nb ……………………….. 58
3.3.2 Свойства многослойного образца сплава Ti-Nb …………………………………. 59
4 Финансовый менеджмент ресурсоэффективность и ресурсосбережение …….. 60
4.1 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………………. 60
4.2 Разработка графика проведения научного исследования …………………………. 62
4.3 Инициация проекта ………………………………………………………………………………… 66
4.3.1 Цели и результаты проекта ……………………………………………………………….. 66
4.4 Диаграмма Исикава ………………………………………………………………………………… 68
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………….. 69
5.1 Производственная безопасность……………………………………………………………… 70
5.1.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект
исследования ……………………………………………………………………………………………. 70
5.1.2 Расчетная часть искусственного освещения в лаборатории ……………….. 71
5.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть в
лаборатории при проведении исследований …………………………………………………. 75
5.3 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия опасных и
вредных факторов ……………………………………………………………………………………….. 77
5.4 Экологическая безопасность …………………………………………………………………… 80
5.4.1 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду ………….. 80
5.4.2 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду ………… 81
5.4.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды ………………… 81
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………… 82
5.5.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований ……………………………………………………………………………………………. 82
5.5.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований …………………………………………………………………………. 82
5.5.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка
действия в случае возникновения ЧС ………………………………………………………… 83
5.6 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …………. 85
5.6.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства …………………………………………………………… 85
5.6.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя …………………………………………………………………………………………… 86
Заключение …………………………………………………………………………………………………. 87
Список публикаций ……………………………………………………………………………………… 88
Список используемых источников информации …………………………………………… 89
Приложение А …………………………………………………………………………………………….. 96
Приложение Б ……………………………………………………………………………………………. 121
Приложение В……………………………………………………………………………………………. 122

Выполнение данной работы позволило продвинуться в разработке
технологии получения низкомодульного сплава системы Ti-Nb методом 3D
печати. В ходе научно-исследовательского проекта были отработаны режимы
подготовки сырья в шаровой планетарной мельнице. Результаты показали, что
помол порошков в течении 10 минут не приводит к образованию большого
количества окислов и нитридов, при этом меняется форма частиц с неправильной
к полиэдрической форме, которая более оптимальна для 3D печати. Разработана
технология печати на лазерном 3D принтере «Луч-500» в Томском
политехническом университете. Работа показала, что печать при скорости
сканирования по первому проходу 100 мм/с, по контуру 200 мм/с не приводит к
образованию капельной структуры и к объединению частиц, а формирует
многослойный монолитный образец в котором присутствует малое количество
пор. Исследования структуры фазового состава показали, что полученные
образцы представляют собой эвтектическую смесь ниобия и β-титана, такая
структура является оптимальной с точки зрения применения в качестве
имплантатов и обладает низким модулем Юнга равным 103,46 ГПа.
Выводы по разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэфективность и
ресурсосбережение»: Проведен SWOT анализ сильных и слабых сторон научно-
исследовательской работы, выявлены возможности и угрозы для реализации
проекта. Разработан график проведения научного исследования и представлена
диаграмма определения причины-следствия проблем, которые могут возникнуть
при выполнении экспериментальной части проекта.
В разделе «Социальная ответственность» был проведён анализ вредных и
опасных факторов, которые могут возникнуть при выполнении научно-
исследовательской работы в лабораторных условиях связанной с получением
образцов из системы порошков Ti-Nb методом аддитивного производства.
Разработаны мероприятия при возникновений ЧС и мер по ликвидации их
последствий.
Список публикаций

1. Здатченко В. Ю. Использование SLS технологий для получения
сплава Ti-Nb-Zr // Современные технологии и материалы новых поколений:
сборник трудов международной конференции с элементами научной школы для
молодежи, Томск, 13 Октября 2017. — Томск: ТПУ, 2017 — С.290-292.
2. Здатченко В.Ю. Получение сплава Ti-Nb для биомедицинского
применения с помощью технологии SLM // Journal of Advanced Research in
Natural Science, North Charleston, USA, 16.05.2018. — Issue 5. 34 – 38 p.