Frontier Materials & Technologies. 2022; : 68-78
Исследование влияния температурно-скоростных условий на механические свойства биорезорбируемого цинкового сплава Zn–4Ag–Cu в процессе равноканального углового прессования
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-3-2-68-78Аннотация
В последнее время активно ведутся разработки инновационных медицинских методик восстановления утраченных функций пациентов. В этих разработках особое значение приобретает использование биорастворимых (биорезорбируемых) материалов. К таким материалам относятся сплавы на основе Mg, Fe и Zn, которые позволяют заметно снизить затраты на проведение хирургической операции и сократить сроки лечения. Но у данных металлов присутствуют недостатки в виде недостаточной прочности и повышенной хрупкости, что ограничивает их применение в медицинских имплантатах. Поэтому повышение механических характеристик биорезорбируемых сплавов остается актуальной проблемой. В настоящей работе данная проблема решалась использованием современного метода пластической обработки – интенсивной пластической деформации (ИПД), которая за счет активного измельчения исходной структуры до нано- и ультрамелкого состояния позволяет эффективно повышать механическую прочность металлических материалов. Использовался наиболее эффективный и распространенный метод ИПД – равноканальное угловое прессование (РКУП). В статье представлены результаты компьютерного исследования методом РКУП цинкового сплава Zn–4Ag–Cu при разных скоростях деформирования (0,4 и 7,8 мм/сек) и температурах обработки (150, 200 °С), выбранных, исходя из технических возможностей оборудования и условий обеспечения термической стабильности структуры. Получены картины распределения накопленной степени деформации, скорости деформации, значений средних напряжений и температурно-силовых условий. По результатам компьютерного моделирования было рекомендовано провести обработку РКУП при 150, 200 °С и скорости 0,4 мм/с, обеспечивающих более однородное тепловое поле в очаге деформации. В ходе экспериментальных работ по выбранным режимам получены образцы после 4 циклов РКУП, обладающие повышенными механическими свойствами, что улучшит и эксплуатационные свойства. Повышенная прочность также позволит минимизировать размеры имплантатов, что обеспечит меньшую травматичность при их установке и ускорит растворение в физиологической среде организма при сохранении функциональности.
Список литературы
1. Виноградов А.Ю., Васильев Е.В., Линдеров М.Л., Мерсон Д.Л., Ржевская Е.О. Влияние равноканального углового прессования на структуру и механические свойства магниевых сплавов Mg-Zn-Ca // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4. С. 18–24. DOI: 10.18323/2073-5073-2015-4-18-24.
2. Friedrich H.E., Mordike B.L. Magnesium Technology: Metallurgy, Design Data, Applications. Berlin: Springer, 2006. 677 p.
3. Хлусов И.А., Митриченко Д.В., Просолов А.Б., Николаева О.О., Слепченко Г.Б., Шаркеев Ю.П. Краткий обзор биомедицинских свойств и применения магниевых сплавов для биоинженерии костной ткани // Бюллетень Сибирской медицины. 2019. Т. 18. № 2. С. 274–286. DOI: 10.20538/1682-0363-2019-2-274-286.
4. Schinhammer M., Hänzi A.C., Löffler J.F., Uggowitzer P.J. Design strategy for biodegradable Fe-based alloys for medical applications // Acta Biomaterialia. 2010. Vol. 6. № 5. P. 1705–1713. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.07.039.
5. Pierson D., Edick J., Tauscher A., Pokorney E., Bowen P., Gelbaugh J., Stinson J., Getty H., Lee C.H., Drelich J., Goldman J. A simplified in vivo approach for evaluating the bioabsorbable behavior of candidate stent materials // Journal of Biomedical Materials Research – Part B Applied Biomaterials. 2012. Vol. 100B. № 1. P. 58–67. DOI: 10.1002/jbm.b.31922.
6. Lia G., Yanga H., Zhenga Y., Chen X.-H., Yang J.-A., Zhu D., Ruan L., Takashima K. Challenges in the use of zinc and its alloys as biodegradable metals: Perspective from biomechanical compatibility // Acta Biomaterialia. 2019. Vol. 97. P. 23–45. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.07.038.
7. Severe Plastic Deformation Methods for Bulk Samples // Faraji G., Kim H.S., Kashi H.T. Severe Plastic Deformation: Methods, processing and properties. Elsevier, 2018. Chapter 2. P. 37–112. DOI: 10.1016/B978-0-12-813518-1.00002-3.
8. Dambatta M.S., Izman S., Kurniawan D., Hermawan H. Processing of Zn-3Mg alloy by equal channel angular pressing for biodegradable metal implants // Journal of King Saud University – Science. 2017. Vol. 29. № 4. P. 455–461. DOI: 10.1016/j.jksus.2017.07.008.
9. Sikora-Jasinska M., Mostaed E., Mostaed A., Beanland R., Mantovani D., Vedani M. Fabrication, mechanical properties and in vitro degradation behavior of newly developed Zn-Ag alloys for degradable implant applications // Materials Science and Engineering C. 2017. Vol. 77. P. 1170–1181. DOI: 10.1016/j.msec.2017.04.023.
10. Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970. 444 с.
11. Утяшев Ф.З., Рааб Г.И. Деформационные методы получения и обработки ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов. Уфа: Гилем, 2013. 375 с.
12. Утяшев Ф.З., Рааб Г.И., Валитов В.А. Деформационное наноструктурирование металлов и сплавов. СПб.: Наукоемкие технологии, 2020. 185 с.
13. Рааб Г.И., Фахретдинова Э.И., Валиев Р.З., Трифоненков Л.П., Фролов В.Ф. Компьютерное исследование влияния геометрии оснастки на деформационные параметры пластической обработки алюминиевой катанки методом Мульти-РКУП-Конформ // Металлург. 2015. № 11. С. 22–27. EDN: VLLZSD.
14. Киселевский М.В., Анисимова Н.Ю., Полоцкий Б.Е., Мартыненко Н.С., Лукьянова Е.А., Ситдикова С.М., Добаткин С.В., Estrin Yu.Z. Биоразлагаемые магниевые сплавы – перспективные материалы медицинского назначения (обзор) // Современные технологии в медицине. 2019. Т. 11. № 3. С. 146–157. DOI: 10.17691/stm2019.11.3.18.
15. Рыбин В.В., Золоторевский Н.Ю., Ушанова Э.А. Анализ разориентированных структур в модельном соединении медь-медь, полученном сваркой взрывом // Журнал технической физики. 2014. Т. 84. № 12. С. 81–95. EDN: SNWEMP.
16. Рябичева Л.А., Нагорный Е.В. Влияние температуры и скорости деформации на упрочнение порошковых двухкомпонентных систем при повышенных температурах // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. 2018. № 12. С. 33–37. EDN: VQWAWM.
17. Утяшев Ф.З. Особенности интенсивной пластической деформации и структурообразования металла // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного технического университета. Физико-математические науки. 2013. № 4-1. С. 204–212. EDN: RSZXBP.
18. Zheng Y., Xu X., Xu Z., Wang J., Cai H. Metallic Biomaterials. New Directions and Technologies. Weinheim: Wiley, 2017. 307 p. DOI: 10.1002/9783527342440.
19. Худододова Г.Д., Кулясова О.Б., Нафиков Р.К., Исламгалиев Р.К. Структура и механические свойства биомедицинского магниевого сплава Mg-1%Zn-0,2%Ca // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 2. С. 105–112. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-2-105-112.
20. Bowen P.K., Drelich J., Goldman J. Zinc exhibits ideal physiological corrosion behavior for bioabsorbable stents // Advanced Materials. 2013. Vol. 25. № 18. P. 2577–2582. DOI: 10.1002/adma.201300226.
Frontier Materials & Technologies. 2022; : 68-78
The study of influence of temperature and speed conditions on the mechanical properties of bioresorbable Zn–4Ag–Cu zinc alloy during equal-channel angular pressing
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-3-2-68-78Abstract
Recently, innovative medical techniques for restoring lost functions of patients have been actively developed, in which the use of bio-soluble (bioresorbable) materials is of particular importance. Such materials include alloys based on Mg, Fe, and Zn, and can significantly reduce the cost of surgical operations and shorten the duration of treatment. However, these metals have such disadvantages as insufficient strength and increased fragility to be used in medical implants. Therefore, increasing the mechanical characteristics of bioresorbable alloys is an urgent problem. In this work, the authors solve this problem using an advanced method of plastic treatment – severe plastic deformation (SPD), which, due to active initial structure refinement to nano- and ultrafine state, allows effective improvement of the mechanical strength of metal materials. The authors used the most effective and well-spread SPD method –equal-channel angular pressing (ECAP). The paper presents the results of computer ECAP research of Zn–4Ag–Cu zinc alloy at different deformation rates (0.4 and 7.8 mm/sec) and temperature conditions (150, 200 °C) chosen based on equipment performance potential and conditions to ensure thermal stability of the structure. The patterns of distribution of accumulated deformation degree, deformation rate, average stress values, and temperature-force conditions are obtained. According to the results of computer modeling, the authors recommended carrying out ECAP processing at the temperature of 150, 200 °C and a speed of 0.4 mm/s, which ensures a uniform thermal field at the deformation zone. During the experimental work according to the selected modes, the authors obtained samples after four ECAP cycles, which had advanced mechanical properties improving performance characteristics. The increased strength will allow minimizing the implants’ sizes ensuring less trauma during their installation and faster dissolution in the physiological environment of the body when retaining functionality.
References
1. Vinogradov A.Yu., Vasil'ev E.V., Linderov M.L., Merson D.L., Rzhevskaya E.O. Vliyanie ravnokanal'nogo uglovogo pressovaniya na strukturu i mekhanicheskie svoistva magnievykh splavov Mg-Zn-Ca // Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2015. № 4. S. 18–24. DOI: 10.18323/2073-5073-2015-4-18-24.
2. Friedrich H.E., Mordike B.L. Magnesium Technology: Metallurgy, Design Data, Applications. Berlin: Springer, 2006. 677 p.
3. Khlusov I.A., Mitrichenko D.V., Prosolov A.B., Nikolaeva O.O., Slepchenko G.B., Sharkeev Yu.P. Kratkii obzor biomeditsinskikh svoistv i primeneniya magnievykh splavov dlya bioinzhenerii kostnoi tkani // Byulleten' Sibirskoi meditsiny. 2019. T. 18. № 2. S. 274–286. DOI: 10.20538/1682-0363-2019-2-274-286.
4. Schinhammer M., Hänzi A.C., Löffler J.F., Uggowitzer P.J. Design strategy for biodegradable Fe-based alloys for medical applications // Acta Biomaterialia. 2010. Vol. 6. № 5. P. 1705–1713. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.07.039.
5. Pierson D., Edick J., Tauscher A., Pokorney E., Bowen P., Gelbaugh J., Stinson J., Getty H., Lee C.H., Drelich J., Goldman J. A simplified in vivo approach for evaluating the bioabsorbable behavior of candidate stent materials // Journal of Biomedical Materials Research – Part B Applied Biomaterials. 2012. Vol. 100B. № 1. P. 58–67. DOI: 10.1002/jbm.b.31922.
6. Lia G., Yanga H., Zhenga Y., Chen X.-H., Yang J.-A., Zhu D., Ruan L., Takashima K. Challenges in the use of zinc and its alloys as biodegradable metals: Perspective from biomechanical compatibility // Acta Biomaterialia. 2019. Vol. 97. P. 23–45. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.07.038.
7. Severe Plastic Deformation Methods for Bulk Samples // Faraji G., Kim H.S., Kashi H.T. Severe Plastic Deformation: Methods, processing and properties. Elsevier, 2018. Chapter 2. P. 37–112. DOI: 10.1016/B978-0-12-813518-1.00002-3.
8. Dambatta M.S., Izman S., Kurniawan D., Hermawan H. Processing of Zn-3Mg alloy by equal channel angular pressing for biodegradable metal implants // Journal of King Saud University – Science. 2017. Vol. 29. № 4. P. 455–461. DOI: 10.1016/j.jksus.2017.07.008.
9. Sikora-Jasinska M., Mostaed E., Mostaed A., Beanland R., Mantovani D., Vedani M. Fabrication, mechanical properties and in vitro degradation behavior of newly developed Zn-Ag alloys for degradable implant applications // Materials Science and Engineering C. 2017. Vol. 77. P. 1170–1181. DOI: 10.1016/j.msec.2017.04.023.
10. Makklintok F., Argon A. Deformatsiya i razrushenie materialov. M.: Mir, 1970. 444 s.
11. Utyashev F.Z., Raab G.I. Deformatsionnye metody polucheniya i obrabotki ul'tramelkozernistykh i nanostrukturnykh materialov. Ufa: Gilem, 2013. 375 s.
12. Utyashev F.Z., Raab G.I., Valitov V.A. Deformatsionnoe nanostrukturirovanie metallov i splavov. SPb.: Naukoemkie tekhnologii, 2020. 185 s.
13. Raab G.I., Fakhretdinova E.I., Valiev R.Z., Trifonenkov L.P., Frolov V.F. Komp'yuternoe issledovanie vliyaniya geometrii osnastki na deformatsionnye parametry plasticheskoi obrabotki alyuminievoi katanki metodom Mul'ti-RKUP-Konform // Metallurg. 2015. № 11. S. 22–27. EDN: VLLZSD.
14. Kiselevskii M.V., Anisimova N.Yu., Polotskii B.E., Martynenko N.S., Luk'yanova E.A., Sitdikova S.M., Dobatkin S.V., Estrin Yu.Z. Biorazlagaemye magnievye splavy – perspektivnye materialy meditsinskogo naznacheniya (obzor) // Sovremennye tekhnologii v meditsine. 2019. T. 11. № 3. S. 146–157. DOI: 10.17691/stm2019.11.3.18.
15. Rybin V.V., Zolotorevskii N.Yu., Ushanova E.A. Analiz razorientirovannykh struktur v model'nom soedinenii med'-med', poluchennom svarkoi vzryvom // Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2014. T. 84. № 12. S. 81–95. EDN: SNWEMP.
16. Ryabicheva L.A., Nagornyi E.V. Vliyanie temperatury i skorosti deformatsii na uprochnenie poroshkovykh dvukhkomponentnykh sistem pri povyshennykh temperaturakh // Sbornik nauchnykh trudov Donbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2018. № 12. S. 33–37. EDN: VQWAWM.
17. Utyashev F.Z. Osobennosti intensivnoi plasticheskoi deformatsii i strukturoobrazovaniya metalla // Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Fiziko-matematicheskie nauki. 2013. № 4-1. S. 204–212. EDN: RSZXBP.
18. Zheng Y., Xu X., Xu Z., Wang J., Cai H. Metallic Biomaterials. New Directions and Technologies. Weinheim: Wiley, 2017. 307 p. DOI: 10.1002/9783527342440.
19. Khudododova G.D., Kulyasova O.B., Nafikov R.K., Islamgaliev R.K. Struktura i mekhanicheskie svoistva biomeditsinskogo magnievogo splava Mg-1%Zn-0,2%Ca // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 2. S. 105–112. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-2-105-112.
20. Bowen P.K., Drelich J., Goldman J. Zinc exhibits ideal physiological corrosion behavior for bioabsorbable stents // Advanced Materials. 2013. Vol. 25. № 18. P. 2577–2582. DOI: 10.1002/adma.201300226.
