Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия:

Ю. Н. Логинов, профессор каф. обработки металлов давлением, эл. почта: j.n.loginov@urfu.ru
С. И. Степанов, доцент каф. термообработки и физики металлов

АО «НПО «ЦНИИТМАШ», Москва, Россия:

А. В. Юдин, старший научный сотрудник

Е. В. Третьяков, заместитель директора Института технологии поверхности и наноматериалов по планово-производственной работе

Целью работы является установление связей между относительной плотностью образцов из титана, полученных по аддитивной технологии, с их механическими характеристиками. Исходным сырьем для 3D-печати служил порошок титана сферической формы с диапазоном размеров 10–50 мкм. Сравнение химического состава исходного порошка с данными об известных марках титана показывало его повышенную чистоту, что является важным параметром для достижения необходимых свойств при изготовлении высококачественных имплантатов. Образцы для исследования физических и механических свойств материала изготавливали на установке послойного синтеза методом селективного лазерного плавления. При отработке режимов сплавления порошка использовали следующие параметры работы установки: размер пятна лазерного излучения на сплавляемом порошковом слое 60–70 мкм, толщина слоя 50 мкм, защитная атмосфера Ar (содержание кислорода до 900 ppm). Аддитивным методом изготавливали цилиндрические заготовки с направлением наплавления ортогонально продольной оси. Далее из них делали образцы для испытаний на растяжение до разрыва. Плотность образцов измеряли методом гидростатического взвешивания. Изменение режимов лазерной обработки внутри указанных диапазонов приводило к получению образцов различной плотности. Каждой плотности соответствовал свой уровень механических характеристик. Получены линейные возрастающие зависимости условного предела текучести и относительного удлинения от относительной плотности. При относительной плотности 92 % предел текучести равен 300 МПа, а при больших плотностях достигается предел текучести ≥500 МПа. Установлено, что использование аддитивных технологий для титана позволяет получать материал с остаточной пористостью, характеризуемой относительной плотностью 92–98 %. Несмотря на наличие пор, такой материал обладает повышенной прочностью относительно титана той же химической чистоты, полученного традиционными методами. Повышение относительной плотности приводит к линейному росту условного предела текучести и относительного удлинения до разрыва, т. е. к повышению уровня как прочностных, так и пластических свойств. Пониженная плотность обусловлена наличием пор, образовавшихся в процессе сплавления, наличием частиц, имеющих ограниченные поверхности контакта между собой.

Работа выполнена при финансовой поддержке постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218, номер соглашения 03.G25.31.0234 от 03.03.2017 г.

1. Sercombe T. B., Xu X., Challis V. J., Green R., Yue S., Zhang Z., Lee P. D. Failure modes in high strength and stiffness to weight scaffolds produced by Selective Laser Melting // Materials and Design. 2015. Vol. 67. P. 501–508.
2. Yong-Keun Ahn, Hyung-Giun Kim, Hyung-Ki Park, Gun-Hee Kim, Kyung-Hwan Jung, Chang-Woo Lee, Won-Yong Kim, Sung-Hwan Lim, Byoung-Soo Lee. Mechanical and microstructural characteristics of commercial purity titanium implants fabricated by electron-beam additive manufacturing // Materials Letters. 2017. Vol. 187. P. 64–67.
3. Khaja Moiduddin, Abdulrahman Al-Ahmari, Mohammed Al Kindi, Emad S. Abouel Nasr, Ashfaq Mohammad, Sundar Ramalingam. Customized porous implants by additive manufacturing for zygomatic reconstruction // Biocybernetics and Biomedical Engineering. 2016. Vol. 36. P. 719–730.
4. Srimanta Barui, Subhomoy Chatterjee, Sourav Mandal, Alok Kumar, Bikramjit Basu. Microstructure and compression properties of 3D powder printed Ti – 6Al – 4V scaffolds with designed porosity: Experimental and computational analysis // Materials Science and Engineering: C. 2017. Vol. 70. P. 812–823.
5. Южакова Е. А., Котляров В. И., Бешкарев В. Т., Иванов В. В. Получение полигональных порошков титана и его сплавов заданного гранулометрического состава для аддитивных технологий // Цветные металлы. 2016. № 12. С. 63–68.
6. Mühlich U., Zybell L., Kuna M. Micromechanical modelling of size effects in failure of porous elastic solids using first order plane strain gradient elasticity // Computational Materials Science. 2009. Vol. 46, No. 3. P. 647–653.
7. Salvatore Federico. On the linear elasticity of porous materials // International Journal of Mechanical Sciences. 2010. Vol. 52, No. 2. P. 175–182.
8. Логинов Ю. Н., Попов А. А., Степанов С. И., Ковалев Е. Ю. Испытание на осадку пористого имплантата, полученного аддитивным методом из титанового сплава // Титан. 2017. № 2. С. 16–20.
9. Titanium Grade 1, Annealed // Online Materials Information Resource — MatWeb. URL : http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d3e4887d426a47ea9b82fdcb155a3faf
10. Titanium Grade 2, Annealed // Online Materials Information Resource — MatWeb. URL : http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=49a4b764217b44ee953205822af5fbc9
11. Titanium Grade 3, Annealed // Online Materials Information Resource — MatWeb. URL : http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=09ee8cd4391e4048bd25d62285b11c6b
12. Titanium Grade 4, Annealed // Online Materials Information Resource — MatWeb. URL : http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=f1570881ceb44ef6b1c345c03909021d

13. ГОСТ 15139–69. Пластмассы. Методы определения плотности (объемной массы). — Введ. 1970–07–01.
14. ISO 5832-2:1999. Implants for surgery — Metallic materials — Part 2: Unalloyed titanium.
15. Логинов Ю. Н., Шарафутдинов Н. Н., Колмогоров В. Л. Об уравнениях связи напряжений и деформаций для сжимаемого жестко-пластического материала // Технология легких сплавов. 1977. № 4. С. 20–25.
16. Galarraga H., Lados D. A., Dehoff R. R., Kirka M. M., Nandwana P. Effects of the microstructure and porosity on properties of Ti – 6Al – 4V ELI alloy fabricated by electron beam melting (EBM) // Additive Manufacturing. 2016. Vol. 10. P. 47–57.
17. Потапов А. И., Логинов Ю. Н., Вичужанин Д. И. Влияние плотности на сопротивление деформации губчатого титана // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. № 4. С. 24–27.
18. Basalah A., Esmaeili S., Toyserkani E. On the influence of sintering protocols and layer thickness on the physical and mechanical properties of additive manufactured titanium porous bio-structures // Journal of Materials Processing Technology. 2016. Vol. 238. P. 341–351.
19. Thijs L., Verhaeghe F., Craeghs T., Van Humbeeck J., Kruth J.-P. A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti – 6Al – 4V // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. P. 3303–3312.
20. Han G., Muller W. E. G., Wang X., Lilja L., Shen Z. Porous titania surfaces on titanium with hierarchical macro- and mesoporosities for enhancing cell adhesion, proliferation and mineralization // Materials Science and Engineering: C. 2015. Vol. 47. P. 376–383.