Файл: Отчет по теме Микродуговое оксидирование титана и титановых сплавов.docx
Добавлен: 06.11.2023
Просмотров: 168
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тульский государственный университет»”
Подразделение кафедра Электро-и нанотехнологии
ОТЧЕТ
по теме:
«Микродуговое оксидирование титана и титановых сплавов»
Вид практики Производственная
Тип практики преддипломная практика
Курс 4
Направление
подготовки
/специальность 15.03.01 «Машиностроение»
Ф.И.О. обучающего Ильин Николай Игоревич
Место прохождения
практики ОНИЛ-4, ТулГУ, г.Тула
Период прохождения
практики с 26 января по 08 января 2022г.
Руководитель практики от подразделения
Профессор Волгин Владимир Мирович
_________________
(подпись)
г. Тула
2022 г.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка новых экологически чистых технологий нанесения высокоэффективных и надежных покрытий для защиты и упрочнения металлических изделий, бесспорно, является сегодня одной из самых актуальных задач современной науки и техники в связи с ростом жесткости условий эксплуатации, агрессивности применяемых технологических сред и соответственным повышением требований к конструкционным материалам.
Микродуговое оксидирование (МДО) - сравнительно новый вид поверхностной обработки и упрочнения главным образом металлически материалов, берущий свое начало от традиционного
анодирования, и соответственно относится к электрохимическим процессам. Микродуговое оксидирование позволяет получать многофункциональные керамикоподобные покрытия с уникальным комплексом свойств, в том числе износостойкие, коррозионностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия. Отличительной особенностью микродугового оксидирования является участие в
процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов, оказывающих весьма существенное и специфическое воздействие на формирующееся покрытие, в результате которого состав и структура получаемых оксидных слоев существенно отличаются, а свойства значительно повышается по сравнению с обычными анодными пленками. Другими положительными отличительными чертами процесса МДО являются его экологичность, а также отсутствие необходимости тщательной предварительной подготовки поверхности в начале технологической цепочки и применения холодильного оборудования для получения относительно толстых покрытий. Технология микродугового оксидирования довольно хорошо отработана только для группы вентильных металлов (т.е. металлов, на которых оксидные пленки, сформированные электрохимическим путем, обладают униполярной или асимметричной проводимостью в системе металл-оксид-электролит – МОЭ, причем положительный потенциал на металле, на котором образована анодная оксидная пленка - АОП, соответствует запирающему или обратному направлению, аналогичному полупроводниковому вентилю) и их сплавов, прежде всего алюминиевых. МДО-покрытия находят все более широкое применение в самых различных областях – от производства товаров бытового назначения и медицины до приборостроения и аэрокосмической
промышленности.[13]
СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
Титан — относится к вентильным металлам.
Вентильными металлами принято называть металлы, оксиды которых образуют пленки такие, что их проводимость в противоположных направлениях сильно различается (это и есть «вентильное» свойство). Типичные представители — алюминий, тантал, титан, ниобий. 3
Титан и его сплавы обладают следующими свойствами:
-
коррозионная стойкость
При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностойкий в большинстве сред (кроме щелочной).
Сплавы титана устойчивы к перекиси водорода, формальдегиду, бензину. Коррозия на титане не выявлена после многократных кипячений и обработки в автоклаве, выдержки в течение нескольких месяцев в 3%-ном растворе хлорамина, 96°этиловом спирте и растворе сулемы. У титановых сплавов выявили точечную коррозию только после выдерживания их в 10%-ной спиртовой настойке йода в течение нескольких дней.
-
прочность
Еще одно положительное свойство титана и его сплавов — высокая усталостная прочность по отношению к знакопеременным нагрузкам. Это особенно важно при производстве внутрикостных фиксаторов, а также внутренних и наружных протезов, которые переменным нагрузкам подвергаются постоянно.
-
обработка
Чистый титан — достаточно пластичный металл, который поддается всем видам механической обработки: шлифованию, сверлению, фрезерованию и резке. Кроме этого, титан — немагнитный материал. Это очень ценное свойство. Благодаря ему, во время лечения больных, у которых в теле есть титановые конструкции, можно использовать физиотерапию. Все эти качества делают данный металл очень перспективным в медицинской сфере.
-
биологическая инертность
Самым важным выводом, который вынесли после многолетних исследований, стало то, что титан — инертный металл по отношению к биологическим средам. Титановые конструкции отлично переносятся организмом человека и обрастают мышечной и костной тканью. Титан практически не корродирует в нашем теле, структура окружающих тканей не изменяется на протяжении многих лет. Химической индифферентностью титан превосходит все нержавеющие стали и широко применяемый сплав на кобальтовой основе («виталлиум»). Также ценно, что в технически чистом титане примесей намного меньше, чем в других сплавах, используемых в медицине. 7
ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
Благодаря своим свойствам титан и его сплавы нашли широкое применение.
Медиков в титане привлекает инертность по отношению к живым тканям, сочетающаяся с коррозионной стойкостью, высокими механическими качествами, доступностью и износостойкостью. Все эти достоинства обеспечили активный интерес к титану и проведение многочисленных клинических испытаний.
Имеется длинный список возможностей для использования титана:
* Он имеет низкую плотность и вызывает раздражение у людей.
* Это доказано, чтобы быть сильным.
* Он очень устойчив к окислению.
* Титан не является магнитным и нетоксичным.
* У него легкая масса.
* Он менее подвержен аллергии по сравнению с другими металлами.
* Это менее жесткий и простой в использовании.
Два отрицательных момента титанового имплантата:
* Это может привести к аллергическим симптомам, хотя исследователи считают, что пациенты не имеют аллергии на титан, но имеют аллергию на примеси в титане, которые включают никель, хром, а также кадмий.
* Поскольку титан хорош в металлических категориях, он является дорогостоящим металлом, и не многие люди могут себе это позволить.
Чтобы выяснить, есть ли у человека аллергия на титан или нет, перед операцией проводится тест. Но, как правило, организм человека хорошо переносит конструкции из титанового сплава. Уже много лет такие сплавы применяются в медицине.
Титановые сплавы очень прочные, способны выдерживать большую нагрузку (например, протез тазобедренного сустава из титанового сплава способен выдерживать усилие до трёх тысяч кг). Они прочнее, чем хром, никель, нержавеющие стали. При стерилизации медицинских инструментов спиртом, обжиганием, парами формалина и т.д. поверхности титановых сплавов не разрушаются. Высокая пластичность титановых сплавов позволяет получать из них проволочную сетку и фольгу. Проволочная сетка применяется для пластики мягких тканей. Подшивается такая сетка атравматической иглой с титановой нитью. Титановая мононить иногда используется в офтальмологии.
В стоматологии применение титановых сплавов также оказалось очень успешным. Титановые сплавы легко соединяются с фарфором и композиционными цементами. Из них делают литые каркасы зубных протезов, стоматологические мосты и коронки. Титановые каркасы легко облицовываются керамикой. Такие протезы долговечны и служат 10-15 лет. Врачи широко используют самую передовую технологию для изготовления зубных протезов - титановые имплантаты. Титановый корень вживляется в челюсть, после чего на него наращивают верхнюю часть зуба.
Титановые конструкции (имплантаты, внутрикостные фиксаторы, наружные и внутренние протезы) абсолютно безопасны для костей и мышц. Протезы, изготовленные из титановых сплавов, очень прочны и износостойки, хотя все время выдерживают большие нагрузки. Вспомните, титан в 2-4 раза прочнее железа и в 6-12 раз прочнее алюминия.
Инструменты из титановых сплавов, отличаются биологической инертностью, высокой коррозионной стойкостью прочностью и пластичностью.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте хирургической аппаратуры и инструментов, чтобы увеличить твердость металла, износостойкость и снизить коэффициент трения, проводились химико- термическая и термическая обработка (то есть альфирование и азотирование). При помощи анодирования на изделиях получили цветную пленку разных оттенков (лиловую, зеленую, фиолетовую, золотую). Все образцы подвергли стерилизации через автоклав при 180 °C. После каждого цикла изучали изменение цвета покрытия и появление пятен коррозии. Самой прочной и коррозионностойкой пленкой оказалась оксидная пленка золотистого, лилового и фиолетового цветов.
Титановые медицинские инструменты легче изделий из стали на 20−30%, при этом они более удобны и долговечны, а также обладают лучшей коррозионной стойкостью. Сотрудники Всесоюзного научно исследовательского института на основе полученных сведений разработали и изготовили опытные наборы инструментов из титановых сплавов для стоматологии, оториноларингологии и общей хирургии. В комплект для общей хирургии вошли кровоостанавливающие зажимы, пластинчатые пинцеты и двухсторонние крючки, V-образный проволочный крючок, скальпель со съемными лезвиями, печеночные зеркала и другие изделия — итого 27 наименований (масса всех инструментов — 1,59 килограмма).
В ЛОР-комплект для оториноларингологических операций вошли трахеотомический расширитель с пружиной, ранорасширитель «Лира», ушной пинцет, трахеотомический крючок, ушные воронки и тампонные щипцы (общая масса — 235 грамма).
Комплект стоматологических инструментов прошел все испытания в Центральном научно-исследовательском институте стоматологии.
В настоящий момент переломы костей часто лечат при помощи металлического остеосинтеза. Для него используют стержни, которые и обеспечивают неподвижность осколков, способствуя процессу консолидации перелома. Но у многих пациентов в дальнейшем возникают различные осложнения, связанные с применением конструкций из нержавеющей стали. Неоднородность стали, как химическая, так и структурная, часто становится причиной разрушения фиксаторов, а это приводит к переломам всей конструкции. Костная ткань повреждается продуктами коррозии, наблюдаются явления электропроводности и ионизации. Ионы железа начинают взаимодействовать с физиологическими солями организма, что вызывает воспаление и острую боль. Поэтому даже самая высококачественная нержавеющая сталь не является лучшим материалом для остеосинтеза.
Использование для изготовления костных фиксаторов титана позволило избежать описанных выше осложнений благодаря биологической нейтральности данного металла. Таким образом, титановые конструкции можно использовать для длительного (или даже постоянного) нахождения в организме человека. Это особенно важно, если остеосинтез проводят пожилым людям, ведь использование титана способно избавить пациента от операции для удаления фиксатора.
Благодаря титану можно применять конструкции сложной конфигурации при лечении околосуставных переломов.
От конкурирующих металлов титан выгодно отличается биологической инертностью и ценными механическими свойствами. Титановый стержень диаметром в 10 мм обладает такой прочностью на разрыв, как стержень из железа диаметром в 14 мм. Титан — это такой конструкционный материал, который позволяет сделать изделие прочнее, сохранив при этом его размеры, либо же получить выигрыш в весе до 40% без потери прочности и уменьшить объем конструкции. Поэтому для внутренних протезов титан остается лучшим металлом. Наиболее эффективным является применение титана в артропластике бедра.
При изготовлении зубных пластмассовых протезов для того, чтобы получить косметический эффект, в отечественной стоматологии используют белое кристаллическое вещество, являющееся двуокисью титана. Но для зубных протезов можно применять как соединения титана с кислородом, так и конструкционный титан — это биологически инертный, прочный, достаточно легкий и хорошо поддающийся обработке металл.
Клиникой челюстно-лицевой хирургии под руководством доцента К. И. Татаринцева (Запорожье) был предложен новый метод лечения переломов нижней челюсти при помощи П-образных скоб из титана BT1−00. Разжимные ножки данных скобок обеспечивают надежное закрепление в правильном положении всех обломков челюсти. 6
Наночастицы оксида титана вызвали большой интерес благодаря своей химической стабильности и низкой токсичности. NPS оксида титана не токсичны in vitro и in vivo. Благодаря этим свойствам титана подходит для использования в медицинских имплантатах. Специально разработанный оксид титана NP с контролируемой пористостью и составом идеально подходит для адсорбции белка и улучшает прикрепление имплантатов к тканям. Нанесение этих наночастиц оксида титана в виде пленки на медицинские имплантаты облегчает приклеивание имплантата к окружающей ткани. Свойство титана связывать кости связано с наличием поверхностных гидроксильных групп, которые могут быть усилены путем включения в титан легирующих агентов, таких как Ca, Mg и F. Было показано, что NPS оксида титана обладают многообещающей антибактериальной, противогрибковой и противоопухолевой активностью. Наночастицы диоксида титана были включены в различные полимерные пластыри. Эти пластыри показали хорошую антибактериальную активность в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий. 5