Исследование механических свойств сетчатых конструкций на основе TiNi, полученных селективным лазерным плавлением

Введение

Аддитивные технологии, в частности селективное лазерное плавление (СЛП), открывают новые возможности в производстве имплантатов со сложноорганизованной сетчатой структурой [1–8]. Классические технологии накладывают ограничения на геометрическую сложность изделия и не позволяют в полной мере реализовать потенциал топологической оптимизации под конкретную анатомию пациента [9–12]. Никелид титана (TiNi) занимает особое место среди биосовместимых материалов благодаря уникальному комплексу функциональных свойств (в том числе эффекту памяти формы и сверхэластичности) [1; 13–15]. Качество изделий, полученных методом СЛП, зависит от свойств исходного порошкового материала (химической чистоты, гранулометрического состава, формы частиц, текучести и т.д.) и параметров лазерного воздействия (мощности, времени экспозиции, расстояния между точками засветки, стратегии сканирования) [16–18]. Для тонкостенных сетчатых образцов на основе никелида титана даже незначительные отклонения параметров процесса СЛП влияют на температуры фазовых превращений (мартенситные переходы), а наличие дефектов (пор, несплавлений, оксидных включений) в тонких перемычках стента может стать причиной преждевременного разрушения [19–22].

Экспериментальный подбор рациональных параметров СЛП для каждой новой геометрии является ресурсоемким и затратным. В этих условиях незаменимым инструментом становится численное моделирование, в частности метод конечных элементов (МКЭ). В современных исследованиях активно используют МКЭ для анализа влияния различных стратегий сканирования и геометрических особенностей на термические и механические свойства [2; 19; 23–25]. Кроме того, методы автоматизированного проектирования применяются для прогнозирования механических свойств (радиальной, осевой жесткости и т.д.) сложных периодических структур на этапе проектирования, что значительно ускоряет процесс оптимизации конструкции под конкретные биомеханические требования [26–28].

В работах [23; 27; 29–31] были показаны принципиальные возможности лазерного сплавления TiNi, однако недостаточно изученным остается вопрос корреляции между характеристиками исходного порошка, режимами сплавления и механическим поведением сетчатых структур с учетом геометрических особенностей.

Целью работы являлось установление факторов, влияющих на механические характеристики сетчатых образцов на основе никелида титана, полученных селективным лазерным плавлением.

Методика исследований

Для анализа микротопографии частиц и элементного анализа порошка использован растровый электронный микроскоп EM-30AXPlus (Coxem Co. Ltd., Респ. Корея), совмещенный с энергодисперсионным спектрометром, с возможным увеличением в диапазоне 20‒150 000˟ и ускоряющим напряжением 20 кВ. Дополнительно для получения данных об элементном составе порошков применялся метод энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа спектра (спектрометр EDX-800HS, Shimadzu, Япония), среда анализа – воздух, исследование порошковой пробы выполнено в кювете с полипропиленовым окном, коллиматор 5 мм. Для установления среднего размера и фактора формы частиц, распределения порошка по размерам проведен гранулометрический анализ (Analysette 22 NanoTec, Fritsch, Германия) в жидкой среде методом лазерной дифракции. Для порошка TiNi определены насыпная плотность и плотность утряски (в соответствии с ГОСТ ИСО 3923-1 и ГОСТ ИСО 3953), а также (по ГОСТ 20899) – текучесть порошка с помощью калиброванной воронки (прибора Холла). Исследование порошка и полученных образцов также осуществлялось на инвертированном микроскопе отраженного света Olympus GX51 (Olympus Corp., Япония) в диапазоне увеличений 100–1000˟. Проба порошка и полученные образцы анализировались на микрофокусном томографе Nikon XT H 225 ST (Nikon Corp., Япония) с диаметром пятна 3 мкм при напряжении 130 кВ и силе тока 53 мА.

Сетчатые конструкции на основе порошка TiNi были получены селективным лазерным плавлением на установке ReaLizer SLM 50 (ReaLizer GmbH, Германия) в защитной атмосфере аргона высокой чистоты.

Моделирование механических свойств осуществлялось с помощью конечно-элементного анализа в программном пакете Siemens NX (структурный решатель Simcenter Nastran). Для оценки прочности на сжатие сетчатых конструкций использовалась гипотеза прочности Мизеса. Решалась задача линейной статики без учета пластических деформаций. Напряжения при сжатии рассчитывались следующим образом:

σ = F/(NS),

где σ – напряжение при сжатии, МПа; F ‒ прикладываемая сила, Н; S ‒ площадь перемычки, м²; N ‒ количество перемычек в сечении в плоскости приложения давления. Для расчетов была сгенерирована 3D тетраэдральная сетка (тип CTETRA 10) с числом элементов на толщину перемычки не меньше трех. В качестве граничных условий предполагалась фиксация образцов посредством жесткой заделки нижнего торца, имитирующей отсутствие перемещений и вращений по трем осям в основании. Нагрузка прикладывалась в верхней плоскости вдоль оси Z, компоненты перемещений в верхнем торце стента вдоль осей X и Y, а также все вращения имели нулевые значения.

Испытания на сжатие спиральных и синусоидальных конструкций проводились на установке Instron 5885 (Instron Limited, Великобритания), скорость перемещения траверсы составляла 1 мм/мин.

Результаты и их обсуждение

Была проанализирована партия порошка TiNi, полученного газовой атомизацией (рис. 1). Установлено массовое содержание химических элементов порошка: Ti – 45,41 %, Ni – 54,59 % (см. таблицу), что отвечает требованиям к сплавам, разрешенным для использования в качестве материала имплантатов. Инородных включений, по результатам томографического исследования, обнаружено не было.

По данным гранулометрического анализа (прибор Analysette 22 NanoTec), частицы порошка TiNi имеют сферическую форму и размеры в диапазоне от 5 до 63 мкм, средний размер d₅₀ = 33,566 мкм (рис. 2). Насыпная плотность порошка TiNi составила 3,92 г/см³, плотность утряски – 4,29 г/см³, текучесть – 17,1 с/50 г. Полученные значения физических, химических и технологических свойств обеспечивают равномерность подачи порошка в камеру и формирования равноплотностного слоя на подложке, а также компактность укладки в определенный объем при сплавлении изделий. Данные факторы качества порошка оказывают влияние на механические свойства полученных конструкций.

Селективным лазерным плавлением TiNi при мощности лазерного излучения P = 37,5 Вт, расстоянии между точками L = 15 мкм и времени экспозиции t = 20 мс по 3D-модели созданы спиральные и синусоидальные конструкции с толщиной перемычки 150 мкм, диаметром 2 мм и высотой 15 мм. Отсутствие на поверхности частиц порошка загрязнений, оксидных пленок или неровностей, правильная форма частиц, низкая шероховатость и однородность обеспечили качественное сплавление между частицами и между слоями и, как следствие, отсутствие несплавлений и пор. Нормальное распределение размеров порошка, установленное на основе гранулометрического анализа, оказало положительное влияние на плотность упаковки и минимизировало межчастичную пористость, поскольку достаточно широкий диапазон размеров и наличие смеси разных фракций способствуют более эффективному заполнению мелкими частицами пустот между крупными частицами. Отсутствие примесей и инородных включений, а также соответствие заявленному химическому составу обеспечили стабильность процесса селективного лазерного плавления и в значительной степени уменьшили количество дефектов в конструкциях стентов. Дефекты являются концентраторами напряжений, что оказывает влияние на механические свойства. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния сетчатых конструкций в области линейной статики при сжатии представлены на рис. 3, 4.

Наиболее нагруженные элементы сетчатой конструкции – это разветвления перемычек в вертикальном направлении, где возникают максимальные растягивающие напряжения. Они являются самыми уязвимыми зонами конструкции, так как воспринимают осевую силу и изгибающий момент; меньшие значения наблюдаются в перемычках. Таким образом, минимальные напряжения при численном моделировании составляют для синусоидальных и спиральных образцов порядка 93,65 и 81,52 МПа соответственно, максимальные напряжения в минимальном по площади сечении – 174,07 и 148,75 МПа.

Максимальные эквивалентные напряжения по Мизесу выявлены в узлах начала разветвления перемычек сетчатых конструкций (1055,83–1119,11 МПа) и достигают предела текучести материала основы. Наблюдается аксиальная деформация сетчатых образцов, можно предположить (см. рис. 3 и 4), что синусоидальные конструкции более склонны к радиальным перемещениям и увеличению диаметра при сжатии, а спиральные – выдерживают бòльшие нагрузки, но складывание рядов перемычек возникает при меньшем изменении диаметра.

Проведена серия натурных экспериментов на сжатие сетчатых конструкций (рис. 5). Получены зависимости напряжения в перемычках от деформации при сжатии спиральных и синусоидальных образцов в расчетных характерных наименьших и наибольших сечениях 2 и 3 соответственно (рис. 6, 7). На первом этапе происходит увеличение деформации при повышении нагрузки ‒ область линейной упругой деформации. Под действием сжимающих, растягивающих и изгибных напряжений в отдельных элементах сетчатой структуры наблюдается переход в упругопластическую деформацию, отмечается дальнейшее возрастание несущей способности в осевом направлении. На завершающей стадии начинают развиваться процессы, приводящие к пластической деформации с последующей потерей устойчивости отдельных перемычек и разрушению. При наличии локальных нагрузок, представленных отдельными пиками в правой области диаграммы, предполагается разрушение перемычек с дальнейшей деформацией сетчатых образцов, сопровождающееся снижением усилия.

В области линейной деформации напряжения в серединах узлов перемычек (в сечениях 2) составляют 173,25 ± 8,67 и 148,75 ± 7,44 МПа для синусоидальных и спиральных образцов соответственно, минимальные напряжения в разветвлениях перемычек (сечениях 3) – 74,93 ± 7,50 и 74,38 ± 7,44 МПа. Максимальные нагрузки, полученные в результате натурных экспериментов, при которых происходит разрушение спиральных образцов, составляют 55,47 ± 4,99 Н, для синусоидальных образцов – 43,71 ± 3,93 Н. Максимальные значения напряжений при численном моделировании осевого сжатия сетчатых конструкций наиболее близки к значениям предела текучести материала основы (1050–1150 МПа) [32–34] при критической нагрузке 30 Н, что соотносится с окончанием зоны линейной деформации.

Анализ излома после испытаний на сжатие показал, что в целом материал имеет гомогенную структуру, нерасплавленных частиц порошка не наблюдается (рис. 8).

В результате фактографических исследований установлено, что поверхность изломов узлов начала разветвления перемычек главным образом представлена ямками сдвига с локальными элементами фасеток квазискола. Фасетки квазискола в виде относительно ровных участков разрушения наряду с проявлениями хрупкого разрушения имели признаки пластической деформации (гребни).

Таким образом, можно заключить, что энергии лазерного излучения на выбранных режимах достаточно для формирования гомогенной структуры и полного проплавления слоев порошкового материала. Можно отметить границы структурных образований, по которым происходит излом, вид излома ‒ вязкий, с локальными элементами хрупкого разрушения.

Выводы

1. По результатам комплексного анализа физических, химических и технологических свойств выявлено, что порошок TiNi может быть использован для изготовления изделий медицинского назначения селективным лазерным плавлением. Насыпная плотность составила 3,92 г/см3, плотность утряски – 4,29 г/см³, текучесть порошка – 17,1 с/50 г, средний размер частиц d₅₀ = 33,566 мкм.

2. Установлено содержание химических элементов порошка: Ti – 45,41 мас. %, Ni – 54,59 мас. %. По результатам томографии, электронной микроскопии и спектрального анализа инородных включений по объему порошка не обнаружено, что является важным параметром качества при последующем сплавлении изделий.

3. В результате численных экспериментов получены напряжения в серединах узлов (сечения 2) и разветвлениях перемычек (сечения 3) конструкций на основе TiNi. Выявлено, что максимальные эквивалентные напряжения по Мизесу (1055,83–1119,11 МПа) достигают значений предела текучести материала (1050–1150 МПа) и локализуются в зонах начала разветвления узлов (сечения 1), что подтверждается результатами анализа изломов образцов.

4. В результате натурных экспериментов в области линейной деформации напряжения в перемычках сечений 2 составляют 173,25 ± 8,67 и 148,75 ± 7,44 МПа для синусоидальных и спиральных образцов соответственно, минимальные напряжения в сечениях 3 – соответственно 74,93 ± 7,50 и 74,38 ± 7,44 МПа, что согласуется с результатами численного моделирования, отклонения составляют 7–20 %.

5. Энергии лазерного излучения на выбранных режимах (P = 37,5 Вт, L = 15 мкм, t = 20 мс) достаточно для формирования гомогенной структуры и полного проплавления слоев порошкового материала. Вид излома после испытаний на сжатие сетчатых конструкций ‒ вязкий, с локальными элементами хрупкого разрушения.