RU2819172C1

RU2819172C1 - Method of producing powder from biomedical high-entropy alloy for additive production

Info

Publication number: RU2819172C1
Application number: RU2023122664A
Authority: RU
Inventors: Максим Сергеевич Озеров; Дмитрий Георгиевич Шайсултанов; Илья Иванович Астахов; Никита Юрьевич Юрченко; Никита Дмитриевич Степанов; Сергей Валерьевич Жеребцов
Filing date: 2023-08-31
Publication date: 2024-05-14

Abstract

FIELD: powder metallurgy.

SUBSTANCE: invention can be used to produce a powder from a biomedical high-entropy alloy with chemical elements harmless to the human body for subsequent process of selective laser melting and production of medical implants. Method involves high-frequency ultrasonic atomisation of alloy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 in argon medium with oxygen content in chamber below 100 ppm and current 140–180 A.

EFFECT: obtaining spherical particles with average size of 53 mcm and uniform distribution of chemical composition.

1 cl, 2 dwg, 2 tbl, 6 ex

Description

Изобретение относится к области аддитивных технологий, а именно к получению порошков высокоэнтропийных сплавов с безвредными для организма человека химическими элементами для последующего процесса селективного лазерного плавления и производства медицинских имплантов.The invention relates to the field of additive technologies, namely to the production of high-entropy alloy powders with chemical elements harmless to the human body for the subsequent process of selective laser melting and the production of medical implants.

Материалы, используемые в качестве биомедицинских имплантатов в качестве замены костным тканям, должны иметь низкий модуль упругости, чтобы избежать экранирования напряжения [Song, Y.; Xu, D.S.; Yang, R.; Li, D.; Wu, W.T.; Guo, Z.X. Theoretical study of the effects of alloying elements on the strength and modulus of β-type bio-titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A. 1999, 260, 269-274]; высокий предел текучести; высокую усталостную прочность, а также высокую пластичность, позволяющую выдерживать нагрузки от физической активности. Наряду с очевидными строгими требованиями к биосовместимости, также важны высокая износостойкость и коррозионная стойкость на уровне поверхности (в зависимости от контакта с тканью или жидкостью организма) и низкий коэффициент трения [Long, M.; Rack, H. Titanium alloys in total joint replacement-a materials science perspective. Biomaterials. 1998, 19, 1621-1639; Braic, V.; Balaceanu, M.; Braic, M.; Vladescu, A.; Panseri, S.; Russo, A. Characterization of multi-principal-element (TiZrNbHfTa)N and (TiZrNbHfTa)C coatings for biomedical applications. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2012, 10, 197-205]. Одним из наиболее часто используемых сплавов, использующихся в биомедицине, является Ti6Al4V [Oliveira, J.P.; Panton, B.; Zeng, Z.; Andrei, C.M.; Zhou, Y.; Miranda, R.M.; Fernandes, F.M. B. Laser joining of NiTi to Ti6Al4V using a Niobium interlayer. Acta Mater. 2016, 105, 9-15]. Для улучшения его механических и трибологических свойств, защиты от напряжений и присутствия цитотоксических элементов, присущих Ti6Al4V, ведутся разработки новых биомедицинских высокоэнтропийных сплавов, ВЭСы обычно определяют как многокомпонентные сплавы, состоящие из нескольких (обычно, не менее 5) основных элементов, взятых в приблизительно равных пропорциях (5-35 ат. %) [Miracle, D.B.; Senkov, O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Mater. 2017, 122, 448-511], в которых можно значительно повысить механические и трибологические свойства, сохраняя при этом превосходную биосовместимость. ВЭСы, состоящие из безвредных для организма человека элементов (Ti, Nb, Zr, Mo и др.), обладают чрезвычайно высокой биосовместимостью, что предполагает возможность их использования в медицине. В то же время, возникает целый ряд вопросов, обуславливающих использование таких сплавов для биомедицинских применений. Прежде всего, это проблема обеспечения комплекса механических и функциональных свойств (высокие прочность и пластичность, низкий модуль упругости, хорошая коррозионная стойкость и износостойкость). Таким образом, будущее высокоэнтропийных сплавов в качестве применения в биомедицине является многообещающим, но в то же время необходимы новые исследования и более глубокий системный анализ взаимосвязей структура-свойства для данных сплавов.Materials used as biomedical implants as replacements for bone tissue must have a low elastic modulus to avoid stress shielding [Song, Y.; Xu, D.S.; Yang, R.; Li, D.; Wu, W. T.; Guo, Z.X. Theoretical study of the effects of alloying elements on the strength and modulus of β-type bio-titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A. 1999, 260, 269-274]; high yield strength; high fatigue strength, as well as high ductility, allowing it to withstand the loads of physical activity. Along with the obvious stringent requirements for biocompatibility, high wear and corrosion resistance at the surface level (depending on contact with tissue or body fluid) and a low coefficient of friction are also important [Long, M.; Rack, H. Titanium alloys in total joint replacement-a materials science perspective. Biomaterials. 1998, 19, 1621-1639; Braic, V.; Balaceanu, M.; Braic, M.; Vladescu, A.; Panseri, S.; Russo, A. Characterization of multi-principal-element (TiZrNbHfTa)N and (TiZrNbHfTa)C coatings for biomedical applications. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2012, 10, 197-205]. One of the most commonly used alloys used in biomedicine is Ti6Al4V [Oliveira, J.P.; Panton, B.; Zeng, Z.; Andrei, C.M.; Zhou, Y.; Miranda, R.M.; Fernandes, F.M. B. Laser joining of NiTi to Ti6Al4V using a Niobium interlayer. Acta Mater. 2016, 105, 9-15]. To improve its mechanical and tribological properties, protection from stress and the presence of cytotoxic elements inherent in Ti6Al4V, new biomedical high-entropy alloys are being developed. HEA alloys are usually defined as multicomponent alloys consisting of several (usually at least 5) basic elements taken in approximately equal proportions (5-35 at.%) [Miracle, D.B.; Senkov, O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts. Acta Mater. 2017, 122, 448-511], in which mechanical and tribological properties can be significantly improved while maintaining excellent biocompatibility. WECs, consisting of elements harmless to the human body (Ti, Nb, Zr, Mo, etc.), have extremely high biocompatibility, which suggests the possibility of their use in medicine. At the same time, a number of questions arise regarding the use of such alloys for biomedical applications. First of all, this is the problem of ensuring a complex of mechanical and functional properties (high strength and ductility, low elastic modulus, good corrosion resistance and wear resistance). Thus, the future of high-entropy alloys as biomedical applications is promising, but at the same time, new research and deeper systematic analysis of the structure-property relationships for these alloys are needed.

В обычной металлургии металлические изделия получают, обрабатывая металлы такими методами, как литье, ковка, штампование и прессование. В последнее десятилетие наблюдается большой интерес к созданию технологий аддитивного производства изделий из металлических материалов, которые благодаря своим физико-механическим свойствам находят широкое применение в самых различных областях производства. В свою очередь аддитивное производство тесно связано с порошковой металлургией, так как основным строительным материалов в аддитивной промышленности являются порошки. Важным требованием для порошков, применяемых в аддитивных процессах, является обеспечение сферической формы частиц. Во-первых, при такой форме обеспечивается максимально плотная укладка порошка на подложку, что минимизирует усадку после плавления, а значит повышает точность воспроизведения слоя. Во-вторых, сферическая форма минимизирует площадь контакта частиц между собой, а значит снижает трение частиц и делает их взаимодействие между собой инвариантным к наплавлению перемещения. Таким образом, обеспечивается максимальная подвижность частиц порошка, сопоставимая с текучестью жидкой среды, что крайне важно для повышения воспроизводимости плотности и высоты наносимого слоя. Сфероидизированные порошки преимущественно производятся с использованием технологий газовой атомизации, плазменной атомизации либо одним из методов центробежной атомизации. Однако существуют определенные сложности, связанные с получением сфероидизированных мелкодисперсных порошков с сохранением концентрации элементов в составе, соответствующей исходному. Устранить эти проблемы возможно применением уникального метода получения порошка - ультразвукового распыления, который позволяет производить высококачественный порошок из стали, титана, алюминия и др. Однако информация о режимах получения металлических порошков из сплава на базе высокоэнтропийной системы Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 методом ультразвуковой атомизации отсутствует.In conventional metallurgy, metal products are produced by processing metals using methods such as casting, forging, stamping and extrusion. In the last decade, there has been great interest in the creation of additive manufacturing technologies for products made from metal materials, which, due to their physical and mechanical properties, are widely used in a wide variety of production areas. In turn, additive manufacturing is closely related to powder metallurgy, since the main building materials in the additive industry are powders. An important requirement for powders used in additive processes is to ensure the spherical shape of the particles. Firstly, this shape ensures the most dense placement of the powder on the substrate, which minimizes shrinkage after melting, and therefore increases the accuracy of layer reproduction. Secondly, the spherical shape minimizes the area of contact between particles, which means it reduces the friction of particles and makes their interaction with each other invariant to displacement melting. This ensures maximum mobility of the powder particles, comparable to the fluidity of the liquid medium, which is extremely important for increasing the reproducibility of the density and height of the applied layer. Spheroidized powders are mainly produced using gas atomization technologies, plasma atomization or one of the centrifugal atomization methods. However, there are certain difficulties associated with obtaining spheroidized fine powders while maintaining the concentration of elements in the composition corresponding to the original one. These problems can be eliminated by using a unique method for producing powder - ultrasonic atomization, which allows the production of high-quality powder from steel, titanium, aluminum, etc. However, there is no information on the modes for producing metal powders from an alloy based on the high-entropy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 system by ultrasonic atomization.

Металлические порошки для аддитивных технологий изготавливаются, в зависимости от применения, различных химических составов [Григорьянц, А.Г. Технологические процессы лазерной обработки / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.Н. Мисюров. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008]. Порошки металлов получают различными методами [Зиленко. М.А. Аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие для вузов / М.А. Зиленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина. -СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2013]. Все методы условно можно разделить на механические и физико-химические. Порошки, получаемые физико-химическими методами, редко применяют для аддитивных технологий, так как их производство связано с физико-химическими превращениями исходного сырья, за счет чего химический состав и структура порошка существенно отличаются от исходного материала. Cуществует несколько технологий атомизации порошков для аддитивных технологий: газовая атомизация; вакуумная атомизация; центробежная атомизация, ультразвуковая атомизация [Зиленко. М.А. Аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие для вузов / М.А. Зиленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина. -СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2013]. Для получения порошков практически идеальной формы также используют метод высокочастотной ультразвуковой атомизации. Основой механизма ультразвукового распыления является расплавление материала, подаваемого в виде проволоки или прутка, с помощью электрической дуги на рабочей платформе машины, подключенный к вибрирующей с ультразвуковой частотой системе. Подплавленные сплавы, подвергнутые вибрации определенной частоты ультразвуковой системой, начинают сбрасывать капли расплавленного материала. Сброшенные капли продуваются нейтральным газом, создавая сферические частицы порошка. Созданный таким образом порошок транспортируется из сборочной камеры в циклон, который отделяет частицы порошка от газа и пыли. Изготовленный порошок перемещается в герметичную емкость, а рабочий газ очищается от примесей.Metal powders for additive technologies are produced, depending on the application, of various chemical compositions [Grigoryants, A.G. Technological processes of laser processing / A.G. Grigoryants, I.N. Shiganov, A.N. Misyurov. - M.: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2008]. Metal powders are obtained by various methods [Zilenko. M.A. Additive technologies in mechanical engineering: textbook for universities / M.A. Zilenko, A.A. Popovich, I.N. Mutylina. -SPb.: Publishing House of the Polytechnic University, 2013]. All methods can be divided into mechanical and physical-chemical. Powders obtained by physical and chemical methods are rarely used for additive technologies, since their production is associated with physical and chemical transformations of the starting material, due to which the chemical composition and structure of the powder differ significantly from the starting material. There are several technologies for atomizing powders for additive technologies: gas atomization; vacuum atomization; centrifugal atomization, ultrasonic atomization [Zilenko. M.A. Additive technologies in mechanical engineering: textbook for universities / M.A. Zilenko, A.A. Popovich, I.N. Mutylina. -SPb.: Publishing House of the Polytechnic University, 2013]. To obtain powders of almost ideal shape, the method of high-frequency ultrasonic atomization is also used. The basis of the ultrasonic atomization mechanism is the melting of material, fed in the form of a wire or rod, using an electric arc on the working platform of the machine, connected to a system vibrating at an ultrasonic frequency. Melted alloys, subjected to vibration of a certain frequency by an ultrasonic system, begin to drop droplets of molten material. The dropped droplets are purged with a neutral gas, creating spherical powder particles. The powder thus created is transported from the collection chamber to a cyclone, which separates the powder particles from gas and dust. The produced powder is transferred to a sealed container, and the working gas is cleaned of impurities.

Изобретений по получению порошков стоматологических сплавов методом атомизации обнаружено не было.No inventions for producing dental alloy powders by atomization were discovered.

В патенте RU 2788793 C1 описанное изобретение относится к металлическому порошку для изготовления стальных деталей, в частности, методами аддитивной технологии, металлический порошок содержит, мас.%: 6,5≤Si≤10, 4,5≤Nb≤10, 0,2≤B≤2,0, 0,2≤Cu≤2,0, C≤2 и необязательно содержит Ni≤10, и/или Co≤10, и/или Cr≤7, и/или Zr в качестве заменителя части Nb в соотношении один к одному, и/или Mo в качестве заменителя части Nb в соотношении один к одному, и/или P в качестве заменителя части Si в соотношении один к одному, и/или один или несколько дополнительных элементов, выбранных из Hf, Ta, W, V, Y, причем содержание каждого дополнительного элемента составляет менее 3,5, и/или одного или нескольких редкоземельных металлов, причем содержание каждого редкоземельного металла составляет менее 0,2, остальное - железо и неизбежных примеси, при этом металлический порошок имеет микроструктуру, содержащую по меньшей мере 5% от площади аморфной фазы, остальное - кристаллические ферритные фазы с размером зерна ниже 20 мкм, и имеет среднюю сферичность по меньшей мере 0,80. Предмет изобретения представляет собой способ производства металлического порошка для аддитивного производства, включающий: (i) плавление элементов и/или металлических сплавов при температуре по меньшей мере на 150°C выше температуры ликвидуса, так чтобы получить расплавленную композицию, включающую в массовых процентах 6,5% ≤ Si ≤ 10%, 4,5% ≤ Nb ≤ 10%, 0,2% ≤ B ≤ 2,0%, 0,2% ≤ Cu ≤2,0 %, C ≤2 % и, необязательно, содержащую Ni ≤ 10мас.%, и/или Co ≤ 10мас.%, и/или Cr ≤ 7мас.%, и /или Zr в качестве заменителя какой-либо части Nb в соотношении один к одному и/или Mo в качестве заменителя какой-либо части Nb в соотношении один к одному и/или P в качестве заменителя какой-либо части Si в соотношении один к одному и/или один или несколько дополнительных элементов, выбранных из числа: Hf, Ta, W, V или Y, где содержание каждого дополнительного элемента по массе составляет менее 3,5%, и/или один или более редкоземельных металлов, при этом массовое содержание каждого редкоземельного металла составляет менее 0,2%, остальное составляют Fe и неизбежные примеси, возникающие в результате обработки, (ii) распыление расплавленной композиции через сопло, диаметр которого составляет не более 4 мм, с помощью газа под давлением 10 - 30 бар. Распределение полученных частиц по размерам, измеренное с помощью лазерной дифракции в соответствии с ISO13320:2009, предпочтительно удовлетворяет следующим требованиям (в мкм):5 ≤ D10 ≤ 30, 15 ≤ D50 ≤ 65, 80 ≤ D90 ≤ 200. Более предпочтительно 80 ≤ D90 ≤ 160. Еще более предпочтительно 100 ≤ D90 ≤ 160.In patent RU 2788793 C1, the described invention relates to metal powder for the manufacture of steel parts, in particular, using additive technology, the metal powder contains, wt.%: 6.5≤Si≤10, 4.5≤Nb≤10, 0.2 ≤B≤2.0, 0.2≤Cu≤2.0, C≤2 and optionally contains Ni≤10, and/or Co≤10, and/or Cr≤7, and/or Zr as a substitute for part of Nb in a one to one ratio, and/or Mo as a substitute for the Nb portion in a one to one ratio, and/or P as a substitute for the Si portion in a one to one ratio, and/or one or more additional elements selected from Hf, Ta , W, V, Y, wherein the content of each additional element is less than 3.5, and/or one or more rare earth metals, wherein the content of each rare earth metal is less than 0.2, the rest being iron and unavoidable impurities, wherein the metal powder has microstructure containing at least 5% by area of the amorphous phase, the rest being crystalline ferrite phases with a grain size below 20 μm, and having an average sphericity of at least 0.80. The subject matter of the invention is a method for producing metal powder for additive manufacturing, comprising: (i) melting elements and/or metal alloys at a temperature of at least 150°C above the liquidus temperature, so as to obtain a molten composition comprising, in weight percent, 6.5 % ≤ Si ≤ 10%, 4.5% ≤ Nb ≤ 10%, 0.2% ≤ B ≤ 2.0%, 0.2% ≤ Cu ≤2.0%, C ≤2% and optionally containing Ni ≤ 10 wt.%, and/or Co ≤ 10 wt.%, and/or Cr ≤ 7 wt.%, and/or Zr as a substitute for any part of Nb in a one-to-one ratio and/or Mo as a substitute for some or parts of Nb in a one-to-one ratio and/or P as a substitute for any part of Si in a one-to-one ratio and/or one or more additional elements selected from: Hf, Ta, W, V or Y, where the content of each additional element by mass is less than 3.5%, and/or one or more rare earth metals, the mass content of each rare earth metal being less than 0.2%, the balance being Fe and unavoidable impurities resulting from processing, (ii) spraying the molten composition through a nozzle, the diameter of which is no more than 4 mm, using gas under a pressure of 10 - 30 bar. The resulting particle size distribution, measured by laser diffraction in accordance with ISO13320:2009, preferably satisfies the following requirements (in µm): 5 ≤ D10 ≤ 30, 15 ≤ D50 ≤ 65, 80 ≤ D90 ≤ 200. More preferably 80 ≤ D90 ≤ 160. Even more preferably 100 ≤ D90 ≤ 160.

Патент RU 2751161 C2 раскрывает группу изобретений, которая относится к способу получения металлического порошка посредством газового распыления и установке для его осуществления. Указанный способ содержит следующие этапы: a) обеспечивают металлическую шихту, содержащую по меньшей мере один материал, выбранный из группы, содержащей металлический лом, металлическую руду и металлические порошки, b) плавят упомянутую металлическую шихту внутри электродуговой печи, контролируя состав металлической шихты, с получением расплава металла, имеющего требуемый состав, c) выпускают упомянутый расплав металла из упомянутой электродуговой печи и собирают его внутри по меньшей мере одного ковша, c1) рафинируют расплав металла, собранный в упомянутом по меньшей мере одном ковше, причем упомянутый этап рафинирования c1) осуществляют путем введения упомянутого по меньшей мере одного ковша, содержащего упомянутый расплав металла, в закрываемую рафинировочную камеру, внутри которой создают контролируемую атмосферу или вакуум, или избыточное давление, d) распыляют упомянутый расплав металла, выпущенный из упомянутой электродуговой печи и рафинированный в рафинировочной камере, путем подачи упомянутого расплава металла в по меньшей мере один газовый распылитель, внутри которого создают поток расплава металла, и воздействуют на упомянутый поток расплава металла потоком распыляющего инертного газа для распыления упомянутого расплава металла с получением металлического порошка, и e) извлекают полученный металлический порошок из упомянутого газового распылителя. Обеспечивается получение металлического порошка газовым распылением без дополнительных промежуточных этапов затвердевания и повторного плавления с использованием металлических материалов, имеющих состав, значительно отличающийся от состава получаемых металлических порошков, а также переменные и неодинаковые формы и размеры.Patent RU 2751161 C2 discloses a group of inventions that relates to a method for producing metal powder by gas atomization and an installation for its implementation. Said method comprises the following steps: a) providing a metal charge containing at least one material selected from the group consisting of scrap metal, metal ore and metal powders, b) melting said metal charge inside an electric arc furnace, controlling the composition of the metal charge, to obtain molten metal having the required composition, c) releasing said molten metal from said electric arc furnace and collecting it inside at least one ladle, c1) refining the molten metal collected in said at least one ladle, wherein said refining step c1) is carried out by introducing said at least one ladle containing said molten metal into a closed refining chamber, inside which a controlled atmosphere or vacuum or excess pressure is created, d) spraying said molten metal released from said electric arc furnace and refined in the refining chamber, by feeding said molten metal into at least one gas atomizer, inside which a flow of molten metal is created, and the said molten metal stream is exposed to a stream of atomizing inert gas to atomize said molten metal to obtain a metal powder, and e) extract the resulting metal powder from said gas atomizer . EFFECT: obtaining metal powder by gas atomization without additional intermediate stages of solidification and re-melting using metal materials having a composition significantly different from the composition of the resulting metal powders, as well as variable and unequal shapes and sizes.

В патенте RU 2714001 описывается изобретение, относящееся к области металлургии, а именно к формированию металлических порошков для аддитивных технологий. Предлагается способ формирования металлических порошков, включающий подачу цилиндрической металлической заготовки в плазмотронную установку с инертной газовой средой, оплавление торца цилиндрической металлической заготовки плазменными струями под воздействием стоячей ультразвуковой волны с обеспечением распыления и затвердевания расплавленных металлических частиц в полете, отличающийся тем, что распыляют металлические частицы заданного одинакового размера посредством кольцевого ультразвукового излучателя, формирующего стоячую волну внутри цилиндрической заготовки, и кольцевых ультразвуковых излучателей, формирующих стоячую волну снаружи на краю расплавленного торца цилиндрической металлической заготовки. Обеспечивается формирование металлического сферического порошка одинакового размера. Однако изобретение относится к получения металлических порошков, главным образом, из жаропрочных никелевых сплавов, которые не предназначены для использования в медицине.Patent RU 2714001 describes an invention related to the field of metallurgy, namely to the formation of metal powders for additive technologies. A method of forming metal powders is proposed, including feeding a cylindrical metal billet into a plasmatron installation with an inert gas medium, melting the end of a cylindrical metal billet with plasma jets under the influence of a standing ultrasonic wave, ensuring spraying and solidification of molten metal particles in flight, characterized in that metal particles are sprayed at a given of the same size by means of a ring ultrasonic emitter that forms a standing wave inside the cylindrical workpiece, and ring ultrasonic emitters that form a standing wave outside at the edge of the molten end of the cylindrical metal workpiece. The formation of metal spherical powder of the same size is ensured. However, the invention relates to the production of metal powders, mainly from heat-resistant nickel alloys, which are not intended for use in medicine.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей изобретения является разработка способа получения порошка из высокоэнтропийного сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, описанного в патенте на изобретение №2795150 от 28.04.2023, для последующего производства медицинских имплантов путем селективного лазерного плавления.The objective of the invention is to develop a method for producing powder from the high-entropy alloy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, described in patent for invention No. 2795150 dated April 28, 2023, for the subsequent production of medical implants by selective laser melting.

Технический результат изобретения заключается в разработке режима получения порошка из высокоэнтропийного сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, позволяющего синтезировать порошки, состоящие из частиц сферической формы, со средним значением размера частиц порошка 53 мкм и однородным распределением химического состава в частицах порошка.The technical result of the invention consists in the development of a mode for producing powder from the high-entropy alloy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, which makes it possible to synthesize powders consisting of spherical particles with an average powder particle size of 53 μm and a uniform distribution of the chemical composition in the powder particles.

Задача изобретения решается предложенным способом получения порошка из высокоэнтропийного сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, включающим высокочастотную ультразвуковую атомизацию сплава в среде аргона при содержании кислорода в камере ниже 100 ppm по следующему режиму: подача газа 60-70 %, ток 140-180 А, амплитуда колебаний ультразвуковой системы 60-80 %.The problem of the invention is solved by the proposed method for producing powder from the high-entropy alloy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, including high-frequency ultrasonic atomization of the alloy in an argon environment with an oxygen content in the chamber below 100 ppm in the following mode: gas supply 60-70%, current 140-180 A, oscillation amplitude of the ultrasonic system 60 -80%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить биосовместимый металлический порошок Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 с размером частиц сферической формы в среднем 53 мкм, не обладающий цитотоксическим эффектом и не препятствующим пролиферации мезенхимальных стволовых клеток (МСК).Thus, the proposed method makes it possible to obtain a biocompatible metal powder Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 with a spherical particle size of an average of 53 μm, which does not have a cytotoxic effect and does not interfere with the proliferation of mesenchymal stem cells (MSCs).

Неожиданно было выявлено, что способ получения порошков из сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 с помощью ультразвукового атомайзера US35 при режиме работы установки: амплитуда колебаний (А) 60 - 80 % , значение тока (Т) 140 - 180 A, поток газа (ПГ) 60 - 70 % даёт возможность получения порошка с размером частиц сферической формы в среднем 53 мкм и однородным распределением химического состава.Unexpectedly, it was revealed that the method of producing powders from the Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 alloy using an ultrasonic atomizer US35 at the operating mode of the installation: oscillation amplitude (A) 60 - 80%, current value (T) 140 - 180 A, gas flow (PG) 60 - 70% makes it possible to obtain a powder with a spherical particle size of an average of 53 microns and a uniform distribution of the chemical composition.

Однородность распределения химического состава в частицах порошка из сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, определяли методом энерго-дисперсионного анализа частиц (Табл. 1 Общий элементный состав полученного порошка из сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4) и построением карт распределения элементов (Фиг. 1). По результатам анализа, общий элементный состав порошка соответствует исходному литому состоянию, а полученные карты демонстрируют гомогенное распределение элементов.The uniformity of the distribution of the chemical composition in the particles of powder from the Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 alloy was determined by the method of energy-dispersive analysis of particles (Table 1. General elemental composition of the resulting powder from the Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 alloy) and by constructing element distribution maps (Fig. 1). According to the analysis results, the general elemental composition of the powder corresponds to the original cast state, and the resulting maps demonstrate a homogeneous distribution of elements.

В ходе качественной и количественной оценки цитотоксичности порошка из высокоэнтропийного сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 в опытах in vitro достоверных различий по сравнению с группой отрицательного контроля (порошок сплава титана Ti-6Al-4V) установлено не было, т.е. порошок из высокоэнтропийного сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 не обладает цитотоксическим эффектом и может считаться биосовместимым.During the qualitative and quantitative assessment of the cytotoxicity of the powder from the high-entropy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 alloy in in vitro experiments, no significant differences were found compared to the negative control group (titanium alloy powder Ti-6Al-4V), i.e. powder from the high-entropy alloy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 does not have a cytotoxic effect and can be considered biocompatible.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:The invention is illustrated by the following materials:

Фиг. 1 - Карты распределения элементов в порошке из сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, полученного по режиму ПГ- 65%, Т-170A, А-75% :Fig. 1 - Maps of the distribution of elements in powder from the Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 alloy, obtained according to the PG-65%, T-170A, A-75% mode:

а) изображение частиц порошка; б) Ti; в) Zr; г) Nb; д) Ta; е) Sn.a) image of powder particles; b) Ti; c) Zr; d) Nb; e) Ta; e) Sn.

Фиг. 2 - Распределение частиц порошка из сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 по размерам.Fig. 2 - Size distribution of Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 alloy powder particles.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Возможность осуществления изобретения поясняется примерами получения порошка из высокоэнтропийного сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 методом высокочастотной ультразвуковой атомизации с помощью ультразвукового атомайзера US35. В качестве исходного материала использовали прутки диаметром 9,7 мм и длиной 100 мм, которые помещали в рабочую камеру установки. Для защиты от окисления камеру продували инертным газом аргон при этом содержание кислорода в камере поддерживали ниже 100 ppm. Режимы работы установки: поток газа (ПГ) = 60 - 70 %, амплитуда колебаний (А)= 60- 80 %, значение тока (Т) = 140 - 180 A. Примеры получения порошков при различных режимах в указанных диапазонах и средний размер частиц полученного порошка, приведены в таблице 2.The possibility of implementing the invention is illustrated by examples of obtaining powder from the high-entropy alloy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 by high-frequency ultrasonic atomization using a US35 ultrasonic atomizer. Rods with a diameter of 9.7 mm and a length of 100 mm were used as the starting material, which were placed in the working chamber of the installation. To protect against oxidation, the chamber was purged with the inert gas argon, while the oxygen content in the chamber was maintained below 100 ppm. Installation operating modes: gas flow (PG) = 60 - 70%, oscillation amplitude (A) = 60-80%, current value (T) = 140 - 180 A. Examples of obtaining powders under various modes in the indicated ranges and average particle size the resulting powder are shown in Table 2.

Таблица 2 - Средний размер частиц порошка, полученного при указанных выше режимах.Table 2 - Average particle size of the powder obtained under the above conditions.

Как видно из таблицы 2, по заявленным режимам получили порошки со средним размером частиц сферической формы 50-56 мкм. Оценка гранулометрического состава показала, что размер частиц находится в пределах интервала от 15 до 90 мкм, где процентильное значение D50 соответствует 51 мкм (Фиг. 2).As can be seen from Table 2, according to the stated regimes, powders with an average spherical particle size of 50-56 microns were obtained. An assessment of the particle size distribution showed that the particle size ranges from 15 to 90 μm, where the D50 percentile value corresponds to 51 μm (Figure 2).

Таким образом, поставленная задача по разработке способа получения порошка из высокоэнтропийного сплава Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 для последующего производства медицинских имплантов путем селективного лазерного плавления, решена.Thus, the task set to develop a method for producing powder from the high-entropy alloy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4 for the subsequent production of medical implants by selective laser melting has been solved.

Claims

A method for producing powder from a high-entropy alloy Ti30Zr38Nb20Ta8Sn4, including high-frequency ultrasonic atomization of the alloy in an argon environment with an oxygen content in the chamber below 100 ppm and a current of 140-180 A.