Визначення технологічних параметрів адитивного електронно-променевого наплавлення заготовок для медичних імплантатів зі сплаву Zr-Ti-Nb

Автор(и)

  • Владислав Анатолійович Матвійчук Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-9304-6862
  • Володимир Михайлович Нестеренков Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-7973-1986
  • Володимир Сергійович Єфанов Український державний університет науки і технологій, Україна https://orcid.org/0000-0002-6363-4081
  • Олександр Васильович Завгородній Національний університет «Запорізька політехніка», Україна https://orcid.org/0009-0006-7198-1557
  • Роман Юрійович Білий Український державний університет науки і технологій, Україна https://orcid.org/0009-0001-7844-6649

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.322118

Ключові слова:

адитивні технології, електронний промінь, густина енергії, пошарове наплавлення, дентальний імплантат, низькомодульний сплав

Анотація

Об’єктом дослідження є сплави системи Zr-Ti-Nb, які більш повно, ніж титанові сплави, відповідають критерію механобіосумістності матеріалу для стоматологічних імплантатів. Вибір цього матеріалу пов’язаний з тим, що цирконієві сплави позбавлені токсичних елементів та мають низький модуль пружності. В сучасних умовах активного впровадження адитивних технологій для виготовлення металевих виробів, застосування цирконієвих сплавів для 3D друку є перспективним напрямом. До таких технологій належить електронно-променеве вирощування виробів. Проблема, що вирішується в роботі, це відсутність технологічних режимів електронно-променевої друку саме для цирконієвого сплаву. Встановлено раціональний режим, за яким зі сплаву системи Zr-Ti-Nb вирощені зразки із рівною поверхнею, однорідною структурою, без внутрішніх дефектів. Особливо слід підкреслити, що модуль пружності матеріалу виготовлених зразків становив 59,8 ГПа, це в два рази нижче, ніж у титанового сплаву Ti-6Al-4VELI (113,8 ГПа), і більш наближений до модуля пружності кістки людини (30 ГПа). Результати пояснюються з точки зору фізико-механічних процесів, що відбуваються в металі при пошаровому наплавленні в різних умовах. Ці умови створювалися за рахунок різних значень технологічних параметрів. Відмінні риси результатів полягали в тому, що сформовані вимоги до структури та властивостей цирконієвих заготовок базувались на відомих залежностях для титанових сплавів. Результати показали, що електронно-променеве вирощування може стати альтернативною технологією для виготовлення заготовок імплантатів із низькомодульного цирконієвого сплаву. Сфера та умови практичного використання отриманих результатів розповсюджується на матеріали для імплантатів в стоматології та, в перспективі, в ортопедії

Біографії авторів

Владислав Анатолійович Матвійчук, Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона Національної академії наук України

Науковий співробітник

Відділ фізичних процесів, техніки i устаткування для електронно-променевого і лазерного зварювання

Володимир Михайлович Нестеренков, Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона Національної академії наук України

Член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділу

Відділ фізичних процесів, техніки i устаткування для електронно-променевого і лазерного зварювання

Володимир Сергійович Єфанов, Український державний університет науки і технологій

PhD, старший науковий співробітник

Кафедра енергетики

Олександр Васильович Завгородній, Національний університет «Запорізька політехніка»

Аспірант

Кафедра інтегровані технології зварювання та моделювання конструкцій

Роман Юрійович Білий, Український державний університет науки і технологій

Аспірант

Кафедра енергетики

Посилання

  1. Fellah, M., Labaïz, M., Assala, O., Dekhil, L., Taleb, A., Rezag, H., Iost, A. (2014). Tribological behavior of Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb Alloys for Total Hip Prosthesis. Advances in Tribology, 2014, 1–13. https://doi.org/10.1155/2014/451387
  2. Elias, C. N., Lima, J. H. C., Valiev, R., Meyers, M. A. (2008). Biomedical applications of titanium and its alloys. JOM, 60 (3), 46–49. https://doi.org/10.1007/s11837-008-0031-1
  3. Liang, S. X., Feng, X. J., Yin, L. X., Liu, X. Y., Ma, M. Z., Liu, R. P. (2016). Development of a new β Ti alloy with low modulus and favorable plasticity for implant material. Materials Science and Engineering: C, 61, 338–343. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.12.076
  4. Nune, K. C., Misra, R. D. K., Li, S. J., Hao, Y. L., Yang, R. (2017). Osteoblast cellular activity on low elastic modulus Ti–24Nb–4Zr–8Sn alloy. Dental Materials, 33 (2), 152–165. https://doi.org/10.1016/j.dental.2016.11.005
  5. Shi, L., Shi, L., Wang, L., Duan, Y., Lei, W., Wang, Z. et al. (2013). The Improved Biological Performance of a Novel Low Elastic Modulus Implant. PLoS ONE, 8 (2), e55015. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055015
  6. Mishchenko, O., Ovchynnykov, O., Kapustian, O., Pogorielov, M. (2020). New Zr-Ti-Nb Alloy for Medical Application: Development, Chemical and Mechanical Properties, and Biocompatibility. Materials, 13 (6), 1306. https://doi.org/10.3390/ma13061306
  7. Gnilitskyi, I., Pogorielov, M., Viter, R., Ferraria, A. M., Carapeto, A. P., Oleshko, O. et al. (2019). Cell and tissue response to nanotextured Ti6Al4V and Zr implants using high-speed femtosecond laser-induced periodic surface structures. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 21, 102036. https://doi.org/10.1016/j.nano.2019.102036
  8. Ivasishin, O. M., Skiba, I. A., Karasevskaya, O. P., Markovskiy, P. E., Shivanyuk, V. N., Kalashnikov, A. V. et al. (2014). Fizicheskie principy sozdaniya nizkomodul'nyh splavov na osnove cirkoniya i titana dlya izgotovleniya implantatov. Litopys travmatolohiyi ta ortopediyi, 1-2 (29-30), 261.
  9. Ivasyshyn, O. M., Skyba, I. O., Karasevska, O. P., Markovskyi, P. Ye. (2011). Pat. No. 102455 UA. Biocompatible alloy with low elasticity modulus containing zirconium and titanium (variants). No. а201115314; declareted: 26.12.2011; published: 10.07.2013, Bul. No. 13.
  10. Mishchenko, O., Solodovnyk, O., Deineka, V., Oleshko, O. (2020). Cellular response (osteoblasts and fibroblasts) depending on the type of surface of dental implants. Morphologia, 14 (1), 42–49. https://doi.org/10.26641/1997-9665.2020.1.42-49
  11. Frazier, W. E. (2014). Metal Additive Manufacturing: A Review. Journal of Materials Engineering and Performance, 23 (6), 1917–1928. https://doi.org/10.1007/s11665-014-0958-z
  12. Gasser, A., Backes, G., Kelbassa, I., Weisheit, A., Wissenbach, K. (2010). Laser Additive Manufacturing. Laser Technik Journal, 7 (2), 58–63. https://doi.org/10.1002/latj.201090029
  13. Azhazha, V. M., V'yugov, P. N., Lavrinenko, S. D., Lindt, K. A., Muhachev, A. P., Pipipenko, N. N. (1998). Cirkoniy i ego splavy: tekhnologi proizvodstva, oblast' primeneniya. Kharkiv: NN HFTI, 89.
  14. Ovchynnykov, O. V., Khaznaferov, M. V. (2022). Vstup do adytyvnykh tekhnolohiy kolorovykh metaliv. Kyiv: Naukova dumka, 122.
  15. Balachandramurthi, A. R., Moverare, J., Mahade, S., Pederson, R. (2018). Additive Manufacturing of Alloy 718 via Electron Beam Melting: Effect of Post-Treatment on the Microstructure and the Mechanical Properties. Materials, 12 (1), 68. https://doi.org/10.3390/ma12010068
  16. Juechter, V., Scharowsky, T., Singer, R. F., Körner, C. (2014). Processing window and evaporation phenomena for Ti–6Al–4V produced by selective electron beam melting. Acta Materialia, 76, 252–258. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.05.037
  17. Ovchynnykov, O. V., Khaznaferov, M. V., Moisieiev, S. V., Mishchenko, O. M., Ovchynnykov, O. O. (2022). Pat. No. 128545 UA. A method for obtaining powder from spherical granules by plasma atomization of a workpiece and powder obtained by this method. No. a202200817; declareted: 22.02.2022; published: 08.08.2024, Bul. No. 34.
  18. Hrabe, N., Quinn, T. (2013). Effects of processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy (Ti–6Al–4V) fabricated using electron beam melting (EBM), Part 2: Energy input, orientation, and location. Materials Science and Engineering: A, 573, 271–277. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.02.065
  19. Matviichuk, V. A., Nesterenkov, V. M., Berdnikova, O. M. (2022). Additive electron beam technology of manufacture of metal products from powder materials. Automatic Welding, 2, 16–25. https://doi.org/10.37434/as2022.02.03
  20. Matviichuk, V. A., Nesterenkov, V. M. (2020). Additive electron beam equipment for layer-by-layer manufacture of metal products from powder materials. The Paton Welding Journal, 2020 (2), 41–46. https://doi.org/10.37434/tpwj2020.02.08
  21. Matviichuk, V., Nesterenkov, V., Berdnikova, O. (2022). Determining the influence of technological parameters of the electron-beam surfacing process on quality indicators. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (115)), 21–30. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.253473
  22. Matviichuk, V., Nesterenkov, V., Berdnikova, O. (2024). Determining the influence of technological parameters of electron beam surfacing process on the microstructure and microhardness of Ti-6Al-4V alloy. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (127)), 6–12. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.297773
  23. Grade 23 Ti 6Al 4V ELI Alloy (UNS R56401) (2013). AZOM. Available at: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9365
  24. Bezymyanniy, Yu. G., Kozirackiy, E. A., Nazarenko, V. A., Teslenko, L. O. (2017). Osobennosti akusticheskih izmereniy v pressovkah na osnove poroshka titana. Visnyk NTU «KhPI», 4 (1226), 3–7.
  25. Veretilnyk, O. V., Biktagirov, F. K. (2024). Electroslag processing of Kh18N10T stainless steel shavings. Electrometallurgy Today, 3, 31–35. https://doi.org/10.37434/sem2024.03.04
  26. Zhai, Y., Galarraga, H., Lados, D. A. (2016). Microstructure, static properties, and fatigue crack growth mechanisms in Ti-6Al-4V fabricated by additive manufacturing: LENS and EBM. Engineering Failure Analysis, 69, 3–14. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2016.05.036
Визначення технологічних параметрів адитивного електронно-променевого наплавлення заготовок для медичних імплантатів зі сплаву Zr-Ti-Nb

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-02-28

Як цитувати

Матвійчук, В. А., Нестеренков, В. М., Єфанов, В. С., Завгородній, О. В., & Білий, Р. Ю. (2025). Визначення технологічних параметрів адитивного електронно-променевого наплавлення заготовок для медичних імплантатів зі сплаву Zr-Ti-Nb. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(12 (133), 16–26. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.322118

Номер

Том 1 № 12 (133) (2025): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Volodymyr Efanov, Vladyslav Matviichuk, Vladimir Nesterenkov, Olexandr Zavgorodny, Roman Bilyi

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.