Модификация титановых сплавов для пар трения методом периодического разряда в потоке жидкости

МОДИФИКАЦИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПАР ТРЕНИЯ 
МЕТОДОМ ПЕРИОДИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ

Елена Равильевна АХМЕТОВА родилась в городе Москве. Старший преподаватель МАИ. Основные научные 
интересы — в области технологии конструкционных материалов, материаловедения. Автор 17 научных работ. 
E-mail: e_akhmetova@mail.ru

Elena R. AKHMETOVA was bom in Moscow. She is a Senior Assistant of Professor at the MAI. Her main research 
interests are in science and technology of structural materials. She has published 17 technical papers. E-mail: 
e akhmetova@mail.ru

УДК 669.295.018.002.2, 621.9.048.4 
©  Е.Р. АХМЕТОВА, Р.Г. ТАЗЕТДИНОВ, 2009

Рустем Галятдинович ТАЗЕТДИНОВ родился в 1942 г. в селе Биденьга Большетарханского района Татарской 
АССР. Профессор МАИ. Доктор технических наук, профессор. Основные научные интересы — в области технологии конструкционных материалов, материаловедении. Автор более 180 научных работ. E-mail: rustem- 
tazetdinov@yandex.ru.

Rustem G. TAZETDINOV, D.Sci., was bom in 1942, in the Tatar ASSR. He is a Professor at the MAI. His main research 
interests are in science and technology of structural materials. He has published over 180 technical papers. E-mail: 
rustem-tazetdinov@yandex.ru

Проведен анализ металлических материалов для пар трения с позиции критериев биосовместимости; проанализировано воздействие периодического разряда в потоке жидкости (ПРПЖ) на материалы; исследовано влияние ПРПЖ 
на изменение трибомеханических характеристик титановых сплавов; обобщены полученные ранее результаты.

An analysis of metal materials is carried out for friction pairs basing on biological compatibility criteria. An influence ofperiodical 
discharges in liquid flow is analyzed for the materials as well as an effect of these discharges on tribomechanical characteristics of 
titanium alloys. Besides the previous results are generalized.

Ключевые слова: титановые сплавы; модификация поверхности; периодический разряд в потоке жидкости; пары 
трения.

Key words: titanium alloys, surface modification, periodical discharge in liquid flow, friction pairs.

Введение

Развитие машиностроения требует создания 
новых материалов, обладающих более высокими 
эксплуатационными характеристиками (прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью). Добиться этого можно несколькими способами, например создавая на поверхности материала модифицированные слои и покрытия или тем или иным 
способом изменяя структуру материала.
Одним из наиболее востребованных направлений в данной области является создание материала, способного в течение длительного времени стабильно работать как в парах трения, так и в агрессивных средах, в том числе и в человеческом организме.
Условия эксплуатации в последнем предъявляют к материалу ряд специфических требований: работа в кислой среде, в электролите (известно, что 
процессы управления двигательной активностью, 
как и другие процессы нервной деятельности, — 
слаботочные электрические процесы), длительный

В Е С Т Н И К  МАИ. Т.16. №1
73

срок эксплуатации изделия, высокая степень биологической и механической совместимости изделия с 
тканями и системами организма.
Наиболее полно эти требования необходимо 
учитывать при создании эндопротезных материалов. 
Если длительность жизни человека условно принять 
равной 100 годам, а порог готовности для эндопротезирования суставов считать связанным с окончанием периода роста скелета, то жизнеспособность 
эндопротеза должна составлять примерно 80 лет. В 
настоящее время она в лучших случаях составляет 
около 25 лет [1]. При этом особую опасность представляют продукты износа эндопротезов. Они являются инициаторами воспалительных процессов, 
остеолизиса и нестабильности эндопротезов.
Требования к материалам для эндопротезирования были сформулированы примерно 20 лет назад. 
Они соответствовали свойствам литейных сплавов 
на основе кобальта (ISO 5832-4) и стали 316L 
(ISO 5832-1).

Машиностроение

Исследования последних лет, направленные на 
решение проблемы комплексного повышения эксплуатационных характеристик эндопротезов (повышение прочности, твердости, коррозионной и 
износостойкости), показали хорошие результаты в 
плане использования новых материалов (модифицированные сплавы ВТ 5-1, ВТ 6, комохром) и применения ионно-лучевых технологий для модификации поверхностей изделий (эндопротезы тазобедренного сустава, дентальные импланты, хирургический инструментарий). Но применяемые ионнолучевые технологии требуют высокой степени ва- 
куумирования, а комохром сам по себе достаточно 
дорог, к тому же мелкодисперсную структуру, обеспечивающую необходимые эксплуатационные характеристики изделия, можно получить только 
методом вакуумной плавки (используется во 
ВНИИНМ им. А.А.Бочвара), другие способы получения дают структуры с крупными карбидными 
включениями.
Оптимальным по прочностным и стоимостным 
характеристикам, а также по биосовместимости был 
признан титан. Однако установлено, что для обеспечения нормальной работоспособности искусственного сустава (являющегося, по сути, шарнирной 
парой трения), в котором используется титановый 
сплав, необходимо в головке сустава создать ульт- 
радисперсную микроструктуру с размерами структурных составляющих в 5—10 раз меньшими, чем 
в полуфабрикатах, получаемых по стандартным технологиям. Подобного рода структуру можно получить, подвергая титановые сплавы термоциклиро- 
ванию с высокой степенью вакуумизации и длительным временем термоэкспозиции. Другим способом, дающим возможность получить требуемый 
результат, является обработка материала высоковольтным периодическим разрядом в потоке жидкости (ПРПЖ) [2]. Поскольку данный метод является безвакуумным, обеспечивает достаточно высокую скорость обработки изделий, можно говорить 
о его экономичности по сравнению с другими методами получения требуемых структуры и покрытий.

Материалы и методы

Основным критерием выбора материала для 
изделий медицинского назначения является система БМСИ [1, 3].
Система БМСИ — это идеологическая концепция, позволяющая проектировать, производить и 
применять Биологически и Механически Совместимые Имплантаты, сочетающие биологическую 
совместимость имплантируемого материала с адекватностью его механического поведения с механическим поведением здорового элемента организма 
человека, для протезирования или укрепления которого предназначен имплантат. БМСИ представляет собой систему взаимосвязанных принципов:
— выбора материала;
— разработки конструкции;
— разработки технологии производства изделия;
— применения комплекса испытаний материалов и изделий;
— оптимизации технологии применения изделий в медицинской практике.
Перечень материалов, удовлетворяющих критерию биосовместимости, достаточно ограничен 
(рис. 1). При выполнении требований механичес
8

7

9 5

I  3
СО
О
Рч

а1
Ni

! р

Со

Несовместимые 
- (токсичные)

CoCrMo(Ni)

! Au
|A g

И М о А1
Fe

Условно совместимые 
(через капсулу из 
соединительной ткани)

Шт  
к
I ?
Pt 1а

сплавы)_

Ti

Совместимые
(инертные)

Биосовместимость

Рис. 1. Биологическая совместимость материалов

74
В Е С Т Н И К  МАИ. Т. 16. №1