Нові біосумісні титанові сплави з мінімальним легуванням (Ti–O–Fe–C–Si–Au / Ti–Mo–In) як альтернатива Ti-6Al-4V

Анотація

У роботі розглянуто сучасні підходи до створення нових титанових сплавів для біомедичних застосувань із акцентом на контроль мікроструктури, фазового складу та експлуатаційних властивостей шляхом варіації легувальних елементів і параметрів обробки. Показано, що класичний сплав Ti-6Al-4V, попри поширене використання, має низку обмежень, зокрема невідповідність модуля пружності біомеханічним характеристикам кісткової тканини та можливі ризики, пов’язані з вивільненням токсичних компонентів Al і V. У цьому контексті актуальними є дві стратегії: багатокомпонентне легування титанової матриці елементами з підвищеною біосумісністю, зокрема системи типу Ti–O–Fe–C–Si–Au, та цілеспрямована β-стабілізація на прикладі сплавів β-Ti–Mo–In. Перша стратегія забезпечує формування дрібнозернистої α/β-структури з підвищеною дислокаційною щільністю та покращеною корозійною стійкістю, що є важливим для тривалої експлуатації у складних середовищах. Друга стратегія дозволяє стабілізувати β-фазу зі зниженим модулем пружності та підвищеною пластичністю, що сприяє оптимізації співвідношення міцності й деформаційної здатності. Аналіз експериментальних досліджень останніх років свідчить, що контрольоване легування киснем та залізом сприяє підвищенню межі плинності понад 900 МПа при збереженні відносного подовження до 15 %, тоді як легування золотом підвищує біосумісність без зниження пластичності. У свою чергу, β-сплави Ti–Mo–In характеризуються стабільною фазою та модулем пружності, ближчим до властивостей кісткової тканини. Встановлено, що поєднання мінімального легування та оптимізованої термомеханічної обробки дозволяє одночасно досягти високих механічних характеристик, корозійної стійкості та біосумісності. Додатково відзначено, що введення Mo сприяє утворенню стабільної β-фази з ефектом зниження еластичного модуля, тоді як домішки In покращують опір корозійно-втомному руйнуванню. Для системи Ti–O–Fe–C–Si–Au встановлено, що навіть малі концентрації домішок дозволяють керувати фазовими перетвореннями та зменшувати схильність до крихкого руйнування завдяки твердорозчинному зміцненню та дисперсійному розподілу фаз. Практична цінність запропонованих систем полягає у можливості отримання матеріалів із прогнозованим ресурсом роботи в агресивному біологічному середовищі та більш точною відповідністю механічним характеристикам кісткової тканини. Зроблено висновок про перспективність подальших досліджень у напрямку керованих фазових перетворень, текстуроутворення, механізмів зміцнення та оптимізації технологічних параметрів, що відкриває нові можливості для розроблення матеріалів наступного покоління з покращеним комплексом експлуатаційних властивостей.