Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей
The analysis of the main aspects of titanium alloys for endoprosthetics creation were overviewed from the point of most optimum complex of operational characteristics – biocompatibility and mechanical properties. Known biomedical alloys, which are still widely used, often contain toxic components –...
Saved in:
| Date: | 2023 |
|---|---|
| Author Affiliations: |
|
| Keywords: | keywords |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/21 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Metal and Casting of Ukraine |
| Download file: |  |
Institution
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1871465415448723456 |
|---|---|
| author | Ворон, Михайло Шваб, Сергій Селін, Роман |
| author_facet | Ворон, Михайло Шваб, Сергій Селін, Роман |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Михайло Ворон",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
},
{
"author": "Сергій Шваб",
"institution": "Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України"
},
{
"author": "Роман Селін",
"institution": "Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України"
}
] |
| author_sort | Ворон, Михайло |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T12:09:42Z |
| description | The analysis of the main aspects of titanium alloys for endoprosthetics creation were overviewed from the point of most optimum complex of operational characteristics – biocompatibility and mechanical properties.
Known biomedical alloys, which are still widely used, often contain toxic components – Al, V, Fe, Cr and Co. Obviously, the maximum biocompatibility is achieved by alloying titanium with non-toxic elements, the list of which among base metals is very limited: Zr, Nb, Ta, Sn, Mo.
The combination of the task of ensuring maximum biocompatibility and high mechanical properties requires finding the optimal chemical compositions of alloys. It is important to follow the modern condition of ensuring the minimum modulus of elasticity of the alloy for endoprosthesis, which significantly increases the safety and durability of its exploitation. During the processing of literature sources it was determined that these requirements are best met by next alloys: Ti-13Nb-13Zr, Ti24Nb-12Zr and Ti-(24-26)Nb-(4-8)Zr-(7-8Sn). Their tensile strength is at the level of 800–1000 MPa, and modulus of elasticity – at the level of 45–65 GPa.
Approaches and methods of additional reduction of elasticity modulus with simultaneous increase of strength are considered. It is established that the most effective ways are based on intensive plastic deformation, grain refining after recrystallization and heat treatment, which includes hardening and short-term aging. |
| doi_str_mv | 10.15407/steelcast2022.02.088 |
| first_indexed | 2026-03-12T15:49:55Z |
| format | Article |
| fulltext |
88 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
через можливість його проникнення в організм через
продукти тертя пар ендопротезів (пара тертя «стег-
нова кістка – тазостегновий суглоб»), коли може бути
порушена цілісність оксидної плівки TiO2.
Згідно з роботою [3], ванадій, потрапляючи в орга-
нізм, пошкоджує статеву систему, викликає хвороби
нирок та спричиняє загальну токсичну реакцію клітин
при контакті. З цієї причини у багатьох країнах світу
ще у 80-ті роки проводились дослідження щодо мож-
ливості створення та застосування безванадієвих
композицій [3–6], які призвели до розробок таких ві-
домих у наші дні сплавів, як Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-2,5Fe,
Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Mo-2,8Nb-0,2Si, Ti-11Mo-11Nb,
Ti-35Nb-2Ta-3Zr та ін.
За результатами деяких досліджень токсичність
не тільки ванадію, але також алюмінію та заліза пере-
буває під особливою увагою [7–9]. Згідно з роботами
[3, 6], збільшення концентрації іонів алюмінію в люд-
ському організмі може призвести до енцефалопатії,
хвороб Паркінсона та Альцгеймера, анемії, контак-
тного дерматиту і раку грудей.
В роботі [6] наголошується про небажаність вико-
ристання заліза у ролі легуючого елемента через по-
рушення роботи клітин, перешкоджання їх поділу та
В
ступ. Використання титанових сплавів в ендо-
протезуванні найбільш інтенсивно розвивається
протягом останніх тридцяти років завдяки уні-
кальним показникам їх біосумісності та найбільш
оптимального поєднання механічних і біомеханіч-
них властивостей [1–3]. Дослідження титану та його
сплавів як матеріалів для ендопротезування досягло
відмінних результатів, що доводиться багаторічним
позитивним досвідом їх застосування. При цьому, по-
стійно відбувається розробка нових сплавів, які є кра-
щими за своїми експлуатаційними властивостями,
ніж вже існуючі.
Біосумісність титанових сплавів. Вирішення
задачі знаходження оптимальних складів титанових
сплавів для ендопротезування дозволяє суттєво вдо-
сконалити більшість видів ендопротезів – зменшити
ризик відторгнення, знизити токсичність, підвищити
термін служби, регулювати механічні властивості та
ін. Найбільш важливим серед усіх параметрів медич-
них сплавів вважається біосумісність. З цієї точки зо-
ру, присутність ряду легуючих елементів у титанових
сплавів є небажаною. Ванадій у сплаві ВТ6, напри-
клад, який хоч і був визнаний нетоксичним ще в 1986
році [4], все одно намагаються не використовувати
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022, № 2 (329), 88-95
https://doi.org/10.15407/scin15.04.005
УДК 669.295
М.М. Ворон1, канд. техн. наук, ст. наук. співр., e-mail: mihail.voron@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-0804-9496
С.Л. Шваб2, канд. техн. наук, ст. наук. співр., e-mail: serg.schwab@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-4627-9786
Р.В. Селін2, канд. техн. наук, ст. наук. співр., e-mail: selinrv@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-2990-1131
1Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)
2Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України (Київ, Україна)
Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з
підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей
Представлено аналіз головних аспектів створення титанових сплавів для ендопротезування, які б володіли най-
більш оптимальним комплексом експлуатаційних характеристик – біосумісності та механічних властивостей.
Відомі біомедичні сплави, які досі широко використовуються, мають у своєму складі токсичні компоненти – Al,
V, Fe, Cr та Со. Очевидно, що максимальна біосумісність досягається завдяки легуванню титану нетоксичними
елементами, перелік яких серед неблагородних металів дуже обмежений: Zr, Nb, Ta, Sn, Mo.
Поєднання задачі забезпечення максимальної біосумісності та високих механічних властивостей вимагає зна-
ходження оптимальних хімічних складів сплавів. При цьому важливо слідувати важливій сучасній умові забезпе-
чення мінімального модуля пружності металу ендопротезу, що суттєво підвищує безпечність і довговічність його
експлуатації. В ході аналізу літературних джерел було визначено, що даним вимогам найбільшою мірою відпо-
відають сплави Ti-13Nb-13Zr, Ti-24Nb-12Zr та Ti-(24-26)Nb-(4-8)Zr-(7-8Sn). Їх межа міцності знаходиться на рівні
800–1000 МПа, а модуль пружності – на рівні 45–65 ГПа.
Розглянуто підходи і методи додаткового зниження модуля пружності з одночасним підвищенням міцності. Вста-
новлено, що найбільш ефективними є підходи, які базуються на інтенсивній пластичній деформації, зернопо-
дрібненні після рекристалізації та термічній обробці, яка включає в себе гартування та короткотривале старіння.
Ключові слова: біомедичні титанові сплави, ендопротезування, біосумісність, сплави з низьким модулем
пружності, Ti-Zr-Nb, Ti-Zr-Nb-Sn.
89ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
протезування не так важлива міцність на розрив, як
твердість. Кріплення для остеоінтеграції, наприклад,
повинні мати високі показники біосумісності, опо-
ру руйнуванню та втомної міцності. Для ніжок стег-
нових компонентів ендопротезу тазостегнового су-
глоба, наприклад, існують окремі особливі вимоги:
σв ≥ 800 МПа, σ0,2 ≥ 500 МПа, d ≥ 8 %, σ-1 ≥ 400 МПа.
Серед усіх титанових сплавів цим вимогам більш
всього відповідають деформовані (a+b)-сплави [5],
однак, останні десятиліття укріплюється тенденція
широкого використання b-сплавів, що пов’язано зі
сприятливим поєднанням їх механічних властивос-
тей [9, 11].
Особливої уваги заслуговує така характеристика,
як модуль пружності. Протягом останніх років важ-
ливою стала потреба отримання сплавів для ендо-
протезів з низьким модулем пружності, що пов'язано
із застосуванням безцементної фіксації протезів та
зниженням ризиків розвитку діафізарної дисплазії та
руйнування кісток після тривалого використання про-
тезів. Саме b-сплави часто мають модуль пружності
нижчий за показники (a+b)-сплавів медичного при-
значення і при цьому характеризуються високою міц-
ністю. Розглянуті раніше нетоксичні легуючі елементи
є b-стабілізаторами титану, або нейтральними зміц-
нювачами, тому можна судити про широкі можливості
їх використання в різних концентраційних інтервалах
саме для створення біосумісних титанових сплавів
[5, 7].
У роботі [12] описано дослідження, які проводи-
лися з метою вивчення зміни міцності від легування
титану наступними елементами: Nb, Ta, Zr, Sn та Pd.
Досліди показали, що міцність сплавів лінійно зрос-
тає зі збільшенням вмісту Zr та Sn. При цьому, для
сплаву з вмістом Zr до 15 % вона помітно не підви-
щується, тоді як легування оловом підвищує міцність
вже при мінімальних концентраціях. Зміцнювальний
ефект від Nb і Ta виявився незначним. Вплив Nb і Ta
на мікроструктуру сплавів у відпаленому стані також
руйнуванні хромосоми при прямому контакті із залі-
зовмісними частинками сплавів. В роботі [3], на при-
кладі аналізу відомих сплавів системи Co-Cr-Mo, вка-
зано, що кобальт здатен пошкоджувати нервову, сер-
цево-судинну та ендокринну системи. Хром є більш
генотоксичним за кобальт, знижує фертильність та
підвищує ризик раку органів дихальної системи. Щодо
молібдену – він є одним з найбільш безпечних еле-
ментів, а його шкідливий вплив в рідких випадках ін-
дивідуальної гіперчутливості проявляється головним
чином в реакціях з боку печінки, травної та статевої
систем.
В роботах [3, 10] наводяться систематизовані дані
досліджень біосумісності різних металів та сплавів. В
якості критеріїв оцінки було обрано показники клітин-
них реакцій, зокрема – показники росту і життєздат-
ності клітин та опір їх мембранної поляризації, який
вказує на здатність іонів металів проходити крізь клі-
тинні мембрани та чинити на них шкідливий вплив.
Дані досліджень наведено на рисунку.
Проблеми забезпечення повної біосумісності спла-
вів для ендопротезування та їх вирішення є основною
рушійною силою досліджень у питаннях розробки но-
вих титанових сплавів. В результаті цих досліджень у
всьому світі, багато фахівців дійшли висновку про те,
що найефективнішими легуючими елементами, які
не знижують біосумісність титану і є безпечними для
організму людини, є Nb, Ta, Zr, Sn та певною мірою –
Мо [3, 5–10].
Механічні властивості сучасних титанових
сплавів для ендопротезування. Другим за важли-
вістю питанням для розробки медичних титанових
сплавів є комплекс механічних властивостей. Серед
головних вимог можна відзначити низький модуль
пружності, високу міцність та високий опір втомному
руйнуванню [8]. Такі характеристики, як твердість,
міцність на стиск та деякі інші властивості визнача-
ються типом ендопротезу та анатомічними особли-
востями пацієнта. Наприклад, для стоматологічного
Біоінертність металів та сплавів: а – цитотоксичність металів; б – залежність між опором поляризації та біосумісністю
металів та сплавів
90 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
виявився незначним. В той же час добавки Zr та Sn
сприяли появі тонкої голчастої структури, яка вказує
на наявність зміцнюючих фаз a''.
Для визначення принципів оптимального легу-
вання досліджуваних титанових сплавів попередньо
можна проаналізувати зміну їх механічних властивос-
тей, починаючи з деяких аналізів подвійних сплавів.
Існують роботи [8, 13–20], що містять дані про влас-
тивості медичних сплавів подвійних систем Ti-Mo,
Ti-Та, Ti-Nb, Ti-Sn та Ti-Zr, які дають змогу відстежити
вплив цих легуючих елементів окремо. Максимальний
ефект зміцнення спостерігається від дії молібдену, а
мінімальний – від танталу [14, 15, 17].
Той факт, що сплавам подвійних систем Ti-Mo,
Ti-Та, Ti-Nb, Ti-Sn і Ti-Zr властиве поєднання досить
високої твердості, міцності та біосумісності, робить
їх привабливими для розгляду в ролі матеріалів сто-
матологічного протезування. Порівнння твердості цих
сплавів наведено в табл. 1. Наведені дані також опо-
середковано вказують на тенденції зміцнення та зміни
фазового складу бінарних сплавів.
Діаграми стану систем Ti-Mo, Ti-Та, Ti-Nb і Ti-Zr ду-
же схожі, і всі ці елементи утворюють з титаном не-
скінченний ряд твердих розчинів заміщення з необ-
меженою розчинністю одного елемента в іншому. Це
дозволяє стверджувати, що зі збільшенням вмісту
другого елемента прямопропорційно збільшується
міцність сплаву. Враховуючи той факт, що тантал –
далеко не найкращий і не найдешевший зміцнюючий
елемент, можна дійти висновку про недоцільність його
використання з метою підвищення міцності. Роль тан-
талу, як і цирконію, полягає скоріше у зміні пружних та
пластичних характеристик матеріалу [10]. У згаданій
раніше роботі [14], зазначається, що тантал для ле-
гування титану застосовувався рідко та у концентра-
ціях до 4 %мас. Варто відзначити, що в багатокомпо-
нентних медичних сплавах на основі титану молібден
зазвичай присутній у концентраціях до 5 %мас., або
рівно 10 або 15 %мас. Такі елементи, як Sn, Zr, та Nb
набагато частіше застосовують для легування титану
з метою його зміцнення і досить часто їх використову-
ють одночасно та в різних співвідношеннях.
У роботі [17] досліджувалися сплави Ti-10Mo-xNb,
де х = 3, 6, 9 %мас. Вміст ніобію фактично не впливає
на твердість сплавів, яка знаходиться в межах 340–
342 HV. При вмісті ніобію 3 %мас. модуль пружності
складає 105 ГПа, а при більшому вмісті в обох випад-
ках – 120 ГПа.
Сплави титану з цирконієм та потрійні сплави Ti-Zr-
Nb володіють найбільш перспективним поєднанням
міцності та модуля пружності. Подвійні сплави Ti-Zr
характеризуються міцністю в діапазоні 600–1450 МПа
та модуля пружності 72–110 ГПа, а композиції Ti-Zr-Nb
мають міцність в діапазоні 600–1000 МПа та модуля
пружності в межах 58–80 ГПа, що значно краще ніж
поєднання цих же параметрів у сплаві ВТ6 [18]. Ряд
сплавів системи Ti-Nb-Zr та Ti-Nb-Zr-Sn розглядалися
в роботі [19] як супереластичні низькомодульні спла-
ви, придатні для ендопротезування. Дані, наведені в
табл. 2, дозволяють проаналізувати залежність моду-
ля пружності таких сплавів від вмісту ніобію, цирконію
та олова. Міцність всіх наведених сплавів знаходить-
ся в межах 600–800 МПа.
Сплави з вмістом 24–28 %мас. Nb та 12 %мас.
Zr, як бачимо, мають найкращі пружні властивос-
ті. Для чотирьохкомпонентних сплавів найкращи-
ми композиціями можна вважати сплави з вмістом
24–26 %мас. Nb, 4 %мас. Zr та 7,5 %мас. Sn. Після
термічної обробки ці сплави здатні мати міцність в
межах σв = 1000…1200 МПа.
У табл. 3 наведено властивості у відпаленому стані
інших сплавів системи Ti-Nb-Zr з меншим вмістом легу-
ючих елементів [20, 21]. Відомо, що після термічної об-
робки сплаву Ti-13Nb-13Zr міцність сягає значень σв =
= 1200…1300 МПа, при одночасному збільшенні мо-
дуля пружності до 77–79 ГПа.
Отже, попередній аналіз показав, що для створен-
ня титанових сплавів з максимальною біосумісністю
потрібно розглядати в якості легуючих елементів об-
межений їх ряд – Zr, Nb, Sn, Mo і Ta. Для забезпе-
чення оптимального рівня механічних властивостей
і насамперед модуля пружності, необхідно розуміти
залежність цих параметрів від вмісту і співвідношення
компонентів сплавів.
Модуль пружності – це характеристика, яка зале-
жить найбільшою мірою від сили міжатомного зв’язку,
а також від фазового складу та мікроструктури.
Псевдо-b та b-сплави титану володіють найменшими
значеннями модуля пружності [21–24].
Проведений аналіз дозволяє зробити наступні ви-
Таблиця 1
Твердість подвійних сплавів систем Ti-Та, Ti-Mo, Ti-Nb, Ti-Sn та Ti-Zr, %мас.
Сплав HV Сплав HV Сплав HV Сплав HV Сплав HV
Ti-5Ta 225 Ti-5Mo 325 Ti-5Nb 319 Ti-1Sn 250 Ti-5Zr 150
Ti-10Ta 235 Ti-10Mo 345 Ti-10Nb 333 Ti-5Sn 255 Ti-10Zr 170
Ti-15Ta 230 Ti-15Mo 325 Ti-15Nb 335 Ti-10Sn 270 Ti-15Zr 200
Ti-20Ta 245 Ti-20Mo 275 Ti-20Nb 341 Ti-20Sn 320 Ti-20Zr 240
Ti-25Ta 295 Ti-25Mo 280 Ti-25Nb 315 Ti-30Sn 355 Ti-30Zr 255
Ti-30Ta 285 Ti-30Mo 290 Ti-30Nb 300 – – Ti-40Zr 295
Ti-35Ta 280 Ti-35Mo 310 Ti-35Nb 275 – – Ti-50Zr 290
91ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
ється застосуванням різних механізмів, включаючи
гартування, зерноподрібнююче зміцнення, твердо-
розчинне зміцнення і дисперсійне зміцнення. Один з
найкращих способів підвищити міцність, зберігаючи
низький модуль Юнга, – це збільшення кількості дис-
локацій в сплаві за допомогою різноманітних спосо-
бів холодної деформації. До них відносяться: холод-
на прокатка, осадження, кручення під високим тиском
і рівноканальне кутове пресування [5, 25, 26].
Описаний в роботі [27] досвід показує, що низький
рівень модуля пружності було досягнуто в метаста-
більному b-сплаві Ti-15Nb-5Zr-4Sn-1Fe після інтен-
сивної пластичної деформації та наступного відпалу.
Наявність ультрадисперсних пластинок a-фази в ме-
тастабільній b-матриці забезпечує одночасно високу
міцність на рівні 910 МПа та відносно низький модуль
пружності близько 61 ГПа. Відмічається, що при цьо-
му оптимальна об’ємна доля a-фази, яка забезпечує
високу міцність, має складати 30–50 %, а w-фаза має
бути відсутньою в складі сплаву.
В той же час, в дослідженнях [28] показано мож-
ливість досягти схожих результатів (σв ~1000 МПа
та Е ~65 ГПа) при тому, що висока міцність здебіль-
шого забезпечується високим вмістом кисню на рівні
0,7 %мас. Низький модуль пружності досягається за
рахунок передмартенситного розм’якшення шляхом
оптимізації вмісту b-стабілізуючих елементів. Ста-
більність b-матриці знижується через близькість до
мартенситного перетворення, тому експерименталь-
сновки щодо того, яке легування для титанових спла-
вів медичного призначення можна вважати ефектив-
ним, залежно від типу виробу та умов застосування:
– для титанових сплавів, які використовуються в
ендопротезуванні, необхідно використовувати в якос-
ті легуючих елементів Zr, Nb, Mo, Ta та Sn. Такий під-
хід дозволяє забезпечити максимальні показники біо-
сумісності титановим сплавам;
– обрані системи легування також відповідають
сучасним тенденціям розробки та використання у
протезуванні псевдо-b і b-сплавів титану;
– для подвійних систем Ti-Me, де Ме – Zr, Nb, Mo,
Ta або Sn характерною є висока твердість і серед-
ні значення модуля пружності на рівні 60–120 ГПа. В
той же час для трьох- та чотирьохкомпонентних сис-
темах молібден і ніобій мало впливають на твердість,
але знижують модуль пружностії. Тантал і цирконій
більш суттєво знижують модуль пружності. При цьо-
му, тантал знижує модуль пружності більше за цирко-
ній та має менший зміцнюючий ефект;
– найкращим зміцнюючим елементом для титано-
вих сплавів є олово, особливо у поєднанні з ніобієм
та цирконієм. Відомі сплави для ендопротезування
Ti-(24-26)Nb-(4-8)Zr-(7-8Sn) відрізняються наймен-
шими значеннями модуля пружності (42–48 ГПа) та
відмінними показниками міцності на рівні 1000 МПа.
Способи зниження модуля пружності тита-
нових сплавів для ендопротезування. Підвищен-
ня рівня міцності металевих біоматеріалів досяга-
Таблиця 2
Значення модуля пружності сплавів систем Ti-Nb-Zr та Ti-Nb-Zr-Sn (%мас.)
Сплав Е, ГПа Сплав Е, ГПа
Ti-20Nb-4Zr 70 Ti-20Nb-4Zr-3,5Sn 72
Ti-20Nb-8Zr 68 Ti-20Nb-8Zr-7,5Sn 68
Ti-20Nb-12Zr 62 Ti-20Nb-12Zr-11,5Sn 56
Ti-24Nb-4Zr 66 Ti-22Nb-4Zr-3,5Sn 70
Ti-24Nb-8Zr 62 Ti-22Nb-8Zr-7,5Sn 62
Ti-24Nb-12Zr 53 Ti-22Nb-12Zr-11,5Sn 63
Ti-28Nb-4Zr 63 Ti-24Nb-4Zr-3,5Sn 63
Ti-28Nb-8Zr 56 Ti-24Nb-8Zr-7,5Sn 46
Ti-28Nb-12Zr 52 Ti-24Nb-12Zr-11,5Sn 72
Ti-32Nb-4Zr 64 Ti-26Nb-4Zr-3,5Sn 66
Ti-32Nb-8Zr 60 Ti-26Nb-8Zr-7,5Sn 48
Ti-32Nb-8Zr 58 Ti-26Nb-12Zr-11,5Sn 71
Таблиця 3
Міцність та модуль пружності деяких сплавів – представників системи Ti-Zr-Nb (%мас.)
Сплав Ti-8Nb-13Zr Ti-13Nb-13Zr Ti-18Nb-13Zr Ti-41Nb-7Zr
σв, МПа 763 870 698 499
Е, ГПа 88 62 70 65
92 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
ний сплав Ti-29Nb-7Zr-0,7O має містити велику кіль-
кість ніобію для підвищення стабільності b-фази при
такому вмісті кисню.
Найбільш розповсюдженим способом одночасно-
го досягнення високої міцності та низького модуля
пружності в титанових сплавах є наявність мартен-
ситної фази [26, 29]. При цьому, в роботі [26] відмі-
чається, що утворення в b-сплавах мартенситу після
деформації має сильніший ефект через одночасне
стабілізування матриці, текстурування структури та,
власне – утворення самого мартенситу.
Термомеханічна обробка, описана в роботі [30],
передбачала холодну пластичну деформацію на рівні
80 % та наступне гартування з b-області, що забез-
печувало рекристалізацію та інтенсивне подрібнення
структури і, як наслідок – зниження модуля пружності.
Схожий підхід, описаний в роботі [31], проте в даному
випадку мало місце додаткове короткотривале ста-
ріння, що дозволило підвищити міцність при одночас-
ному збереженні низьких значень модуля пружності.
Таким чином, очевидно, що термообробка є важли-
вою складовою для ефективного управління механіч-
ними властивостями новітніх низькомодульних тита-
нових ендопротезів.
Модуль пружності титанових b-сплавів – це ані-
зотропний параметр, який залежить від кристало-
графічної орієнтації [26]. Зокрема, в напрямку <100>
дана механічна характеристика є найнижчою, що бу-
ло доведено при дослідженнях монокристалу спла-
ву типу TNTZ (система Ti-Nb-Ta-Zr) [32]. В роботі [33]
відзначається, що за цим принципом зниження мо-
дуля пружності можливо досягти завдяки одержан-
ню тонкої направленої структури, яка формується
при швидкій кристалізації оплавлених зон сплавів,
які утворюються при адитивному виробництві. Важ-
ливою технологічною особливістю такого рішення є
те, що подібні сплави та вироби з них, які одержані
наплавленням, піддаються термічній обробці, яка до-
зволяє змінювати механічні властивості в широкому
діапазоні [34]. Саме такі методи наразі є найбільш
перспективними та інноваційними, а присвячені ним
дослідження формують найбільш широкі інтереси на-
уково-технологічної спільноти в усьому світі.
Висновок
Аналіз головних аспектів створення титанових
сплавів для ендопротезування показав, що відомі бі-
омедичні сплави, які досі широко використовуються,
мають у своєму складі токсичні компоненти – Al, V,
Fe, Cr та Со, в той час як максимальна біосумісність
досягається завдяки легуванню титану нетоксичними
елементами, перелік яких серед неблагородних мета-
лів дуже обмежений: Zr, Nb, Ta, Sn та Mo.
Поєднання задачі забезпечення максимальної біо-
сумісності та високих механічних властивостей вима-
гає знаходження оптимальних хімічних складів спла-
вів. При цьому важливо слідувати важливій сучасній
умові забезпечення мінімального модуля пружності
металу ендопротезу, що суттєво підвищує безпеч-
ність і довговічність його експлуатації. В ході аналізу
актуальної інформації з цих питань було встановле-
но, що даним вимогам найбільшою мірою відповіда-
ють сплави Ti-13Nb-13Zr, Ti-24Nb-12Zr та Ti-(24-26)
Nb-(4-8)Zr-(7-8Sn). Їх межа міцності знаходиться на
рівні 800–1000 МПа, а модуль пружності – на рівні
45–65 ГПа. Встановлено, що найбільш ефективними
підходами для одночасного підвищення міцності та
зниження модуля пружності є методи, які базуються
на інтенсивній пластичній деформації, зерноподріб-
ненні після рекристалізації та термічній обробці, яка
включає в себе гартування та короткотривале старін-
ня.
1. Vadiradj A., Kamaradj M. Fretting fatigue behavior of surface modified biomedical titanium alloys. Transactions of the Indian
Institute of Metals. 2010. Vol. 63. Issues 2–3. April-June. P. 217–223.
2. Muller K., Valentine-Thon E. Hypersensitivity to titanium: Clinical and laboratory evidence. Neuro Endocrinology Letters. 2006.
Vol. 27. P. 31–35.
3. Shunxing L. Review of the design of titanium alloys with low elastic modulus as implant materials. Advanced Engineering
Materials. 2020. Vol. 22 (11). DOI: https://doi.org/10.1002/adem.202000555
4. Доний А.Н., Ворон М.М., Ворон К.С. Критерии выбора легирующих элементов для титановых сплавов медицинского
назначения. Вісник НТУУ «КПІ». Серія Машинобудування. 2011. № 61. С. 204–207.
5. Niinomi M. Low Modulus Titanium Alloys for Inhibiting Bone Atrophy. Biomaterials Science and Engineering (Book). Edited by
Prof. Rosario Pignatello, 2011. P. 249–268. DOI: https://doi.org/10.5772/24549
6. Silva H.M., Schnedek S.G., Neto C.M. Study of nontoxic aluminum and vanadium-free titanium alloys for biomedical applications.
Materials Science and Engineering C. 2004. No. 24 (5). P. 679–682. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msec.2004.08.051
7. Xu L., Xiao S., Tian J., Chen Y., Huang Y. Microstructure and dry wear properties of Ti-Nb alloys for dental prostheses.
Transactions of nonferrous metals Society of China. 2009. No. 19. P. 639–644. DOI: https://doi.org/10.1016/S1003-
6326(10)60124-0
8. Wang K. The use of titanium for medical applications in USA. Material Science and Engineering. 1996. Vol. 213. P. 134–137.
DOI: https://doi.org/10.1016/0921-5093(96)10243-4
ЛІТЕРАТУРА
93ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
9. Kikuchi M. et al. Mechanical properties and microstructures of cast Ti–Cu alloys. Dental materials. 2003. No. 19 (3). P. 174–
181. DOI: https://doi.org/10.1016/S0109-5641(02)00027-1
10. Niinomi M. Recent titanium R&D for biomedical applications in Japan. JOM. 1999. Vol. 51. P. 32–34. DOI: https://doi.
org/10.1007/s11837-999-0091-x
11. Ho W.F., Ju C.P., Lin J.H. Structure and properties of cast binary Ti-Mo alloys. Biomaterials. 1999. No. 20 (22). P. 2115–2122.
DOI: https://doi.org/10.1016/s0142-9612(99)00114-3
12. Yoshimitsu O., Yoshimasa I., Atsuo I., Tetsuya T. Effect of alloying elements on mechanical properties of titanium alloys for medical
implants. Materials transactions JIM. 1993. Vol. 34 (12). P. 1217–1222. DOI: https://doi.org/10.2320/matertrans1989.34.1217
13. Niinomi M. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. Journal of the Mechanical Behavior of
Biomedical Materials. 2008. Vol. 1. Iss. 1. P. 30–42. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2007.07.001
14. Hsueh C.-H., His-Chen L., Shih C.-W., Yu-Sheng H., Wen F.H. Microstructure and grindability of as-cast Ti-Sn alloys. Journal
of materials science. 2010. No. 45. P. 1830–1836. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-009-4166-4
15. Takahashi M., Kikuchi M., Okuno O. Grindability of Dental Cast Ti-Zr Alloys. Materials Transactions. 2009. Vol. 50 (4).
P. 859–863. DOI: https://doi.org/10.2320/matertrans.MRA2008403
16. Kong Ji-Hyun et al. Hardness and corrosion resistance of dental Ti-Zr alloy by changes of zirconium contents. Korean Journal
of Dental Materials. 2017. Vol. 44 (4). P. 387–393. DOI: https://doi.org/10.14815/kjdm.2017.44.4.387
17. Gabriel S.B., Dille J., Nunes C.A., Soares G.A. The effect of niobium content on the hardness and elastic modulus of
heat-treated Ti-10Mo-xNb alloys. Materials research. 2010. Vol. 13 (3). P. 333–337. DOI: https://doi.org/10.1590/S1516-
14392010000300009
18. Xiatong B. et al. Exploring the limits of mechanical properties of Ti-Zr binary alloys. Materials Letters. 2022. Vol. 318, 132091.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132091
19. United States patent US 7722805 B2. Titanium alloy with extralow modulus and superelasticity and its producing method and
processing thereof. Published 25.05.2010
20. Shneider S., Shneider S.G., Silva H.M., Moura Neto C. Study of the Non-Linear Stress-Strain Behavior in Ti-Nb-Zr Alloys.
Materials Research. 2005. Vol. 8 (4). P. 435–438. DOI: https://doi.org/10.1590/S1516-14392005000400013
21. Moshin T.M., Zahid A.K., Arshad N.S. Beta Titanium Alloys: The Lowest Elastic Modulusfor Biomedical Applications: A Review.
International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering. 2014. Vol.:8 (8). P. 726–731.
22. Zhang L.C., Klemm D., Eckert J., Hao Y.L., Sercombe T.B. Manufacture by selective laser melting and mechanical behavior
of a biomedical Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy. Scripta Materialia. 2011. Vol. 65. Iss. 1. P. 21–24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.
scriptamat.2011.03.024
23. Niinomi M. Recent progress in research and development of metallic structural biomaterials with mainly focusing on mechanical
biocompatibility. Materials Transactions. 2018. Vol. 59. P. 1–13. DOI: https://doi.org/10.2320/matertrans.M2017180
24. Meng Q., Zhang J., Huo Y., Sui Y., Guo S., Zhao X. Design of low modulus beta-type titanium alloys by tuning shear modulus
C44. Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 745. P. 579–585. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.02.259
25. Yilmazer H., Niinomi M., Akahori T., Nakai M., Tsutsumi H. Effects of Severe Plastic Deformation and Thermo-mechanical
Treatments on Microstructures and Mechanical Properties of β-type Titanium Alloys for Biomedical Applications. Proc. PFAM
XIII, 2009. P. 1401–1410.
26. Guo S. et al. Design and fabrication of a metastable β-type titanium alloy with ultralow elastic modulus and high strength.
Scientific Reports. 2015. Vol. 5. 14688. DOI: https://doi.org/10.1038/srep14688
27. Yu F. et al. A novel strategy for developing α + β dual-phase titanium alloys with low Young’s modulus and high yield strength.
Journal of Materials Science & Technology. 2021. Vol. 76. P. 122–128. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.018
28. Strasky J. et al. Achieving high strength and low elastic modulus in interstitial biomedical Ti–Nb–Zr–O alloys through
compositional optimization. Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 839. 142833. DOI: https://doi.org/10.1016/j.
msea.2022.142833
29. Zhou Y.L., Niinomi M. Ti-25Ta alloy with the best mechanical compatibility in Ti-Ta alloys or bio-medical applications. Materials
Science and Engineering: C. 2009. Vol. 29. P. 1061–1065. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msec.2008.09.012
30. Bertrand E. et al. (2010). Synthesis and characterisation of a new superelastic Ti–25Ta–25Nb biomedical alloy. Journal of the
mechanical behavior of biomedical materials. 2010. Vol. 3. P. 559–564. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2010.06.007
31. Shun G., Qingkun M., Guangyue L., Liang H., Xinqing Z. Microstructural evolution and mechanical behavior of metastable
β-type Ti–25Nb–2Mo–4Sn alloy with high strength and low modulus. Progress in Natural Science: Materials International.
2013. Vol. 23. P. 174–182. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2013.03.008
32. Tane M. et al. Peculiar elastic behavior of Ti–Nb–Ta–Zr single crystals. Acta Materialia. 2008. Vol. 56. P. 2856–2860. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2017.06.006
33. Alabort E., Tang Y.T., Barba D., Reed R.C. Alloys-by-design: A low-modulus titanium alloy for additively manufactured
biomedical implants. Acta Materialia. 2022. Vol. 229, 117749. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117749
34. Prilutsky V.P., Akhonin S.V., Schwab S.L., Petrychenko I.K. Effect of Heat Treatment on the Structure and Properties of
Titanium Alloy VT22 Welded Joints Produced by TIG-Welding with Flux-Cored Wire. Materials Science Forum. 2018. Vol. 927.
P. 119–125. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.927.119
Надійшла 30.05.2022
94 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
1. Vadiradj, A., Kamaradj, M. (2010). Fretting fatigue behavior of surface modified biomedical titanium alloys. Transactions of the
Indian Institute of Metals, vol. 63, iss. 2–3, april-june, pp. 217–223.
2. Muller, K., Valentine-Thon, E. (2006). Hypersensitivity to titanium: Clinical and laboratory evidence. Neuro Endocrinology
Letters, vol. 27, pp. 31–35.
3. Shunxing, L. (2020). Review of the design of titanium alloys with low elastic modulus as implant materials. Advanced
Engineering Materials, vol. 22 (11), doi: https://doi.org/10.1002/adem.202000555
4. Doniy, A.N., Voron, M.M., Voron, K.S. (2011). Criteria for the selection of alloying elements for titanium alloys for medical
purposes. Bulletin of NTUU "KPI". Mechanical Engineering Series, no. 61, pp. 204–207 [in Russian].
5. Niinomi, M. (2011). Low Modulus Titanium Alloys for Inhibiting Bone Atrophy. Biomaterials Science and Engineering (Book).
Edited by Prof. Rosario Pignatello, pp. 249–268, doi: https://doi.org/10.5772/24549
6. Silva, H.M., Schnedek, S.G., Neto, C.M. (2004). Study of nontoxic aluminum and vanadium-free titanium alloys for biomedical
applications. Materials Science and Engineering C, no. 24 (5), pp. 679–682, doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2004.08.051
7. Xu, L., Xiao, S., Tian, J., Chen, Y., Huang, Y. (2009). Microstructure and dry wear properties of Ti-Nb alloys for dental prostheses.
Transactions of nonferrous metals Society of China, no. 19, pp. 639–644, doi: https://doi.org/10.1016/S1003-6326(10)60124-0
8. Wang, K. (1996). The use of titanium for medical applications in USA. Material Science and Engineering, vol. 213, pp. 134–
137, doi: https://doi.org/10.1016/0921-5093(96)10243-4
9. Kikuchi, M. et al. (2003). Mechanical properties and microstructures of cast Ti–Cu alloys. Dental materials, no. 19 (3),
pp. 174–181, doi: https://doi.org/10.1016/S0109-5641(02)00027-1
10. Niinomi, M. (1999). Recent titanium R&D for biomedical applications in Japan. JOM, vol. 51, pp. 32–34, doi: https://doi.
org/10.1007/s11837-999-0091-x
11. Ho, W.F., Ju, C.P., Lin, J.H. (1999). Structure and properties of cast binary Ti-Mo alloys. Biomaterials, no. 20 (22), pp. 2115–
2122, doi: https://doi.org/10.1016/s0142-9612(99)00114-3
12. Yoshimitsu, O., Yoshimasa, I., Atsuo, I., Tetsuya, T. (1993). Effect of alloying elements on mechanical properties of
titanium alloys for medical implants. Materials transactions JIM, vol. 34 (12), pp. 1217–1222, doi: https://doi.org/10.2320/
matertrans1989.34.1217
13. Niinomi, M. (2008). Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. Journal of the Mechanical
Behavior of Biomedical Materials, vol. 1, iss. 1, рp. 30–42, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2007.07.001
14. Hsueh, C.-H., His-Chen, L., Shih, C.-W., Yu-Sheng, H., Wen, F.H. (2010). Microstructure and grindability of as-cast Ti-Sn
alloys. Journal of materials science, no. 45, pp. 1830–1836, doi: https://doi.org/10.1007/s10853-009-4166-4
15. Takahashi, M., Kikuchi, M., Okuno, O. (2009). Grindability of Dental Cast Ti-Zr Alloys. Materials Transactions, vol. 50 (4),
pp. 859–863, doi: https://doi.org/10.2320/matertrans.MRA2008403
16. Kong, Ji-Hyun et al. (2017). Hardness and corrosion resistance of dental Ti-Zr alloy by changes of zirconium contents. Korean
Journal of Dental Materials, vol. 44 (4), pp. 387–393, doi: https://doi.org/10.14815/kjdm.2017.44.4.387
17. Gabriel, S.B., Dille, J., Nunes, C.A., Soares, G.A. (2010). The effect of niobium content on the hardness and elastic modulus
of heat-treated Ti-10Mo-xNb alloys. Materials research, vol. 13 (3), pp. 333–337, doi: https://doi.org/10.1590/S1516-
14392010000300009
18. Xiatong, B. et al. (2022). Exploring the limits of mechanical properties of Ti-Zr binary alloys. Materials Letters, vol. 318,
132091, doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132091
19. United States patent US 7722805 B2, Titanium alloy with extra-low modulus and superelasticity and its producing method and
processing thereof. Published 25.05.2010
20. Shneider, S., Shneider, S.G., Silva, H.M., Moura Neto, C. (2005). Study of the Non-Linear Stress-Strain Behavior in Ti-Nb-Zr
Alloys. Materials Research, vol. 8 (4), pp. 435–438, doi: https://doi.org/10.1590/S1516-14392005000400013
21. Moshin, T.M., Zahid, A.K., Arshad, N.S. (2014). Beta Titanium Alloys: The Lowest Elastic Modulus for Biomedical Applications:
A Review. International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering, Vol.: 8 (8), pp. 726–731.
22. Zhang, L.C., Klemm, D., Eckert, J., Hao, Y.L., Sercombe, T.B. (2011). Manufacture by selective laser melting and mechanical
behavior of a biomedical Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy. Scripta Materialia, vol. 65, iss. 1, pp. 21–24, doi: https://doi.org/10.1016/j.
scriptamat.2011.03.024
23. Niinomi, M. (2018). Recent progress in research and development of metallic structural biomaterials with mainly focusing on
mechanical biocompatibility. Materials Transactions, vol. 59, pp. 1–13, doi: https://doi.org/10.2320/matertrans.M2017180
24. Meng, Q., Zhang, J., Huo, Y., Sui, Y., Guo, S., Zhao, X. (2018). Design of low modulus beta-type titanium alloys by tuning shear
modulus C44. Journal of Alloys and Compounds, vol. 745, pp. 579–585, doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.02.259
25. Yilmazer, H., Niinomi, M., Akahori, T., Nakai, M., Tsutsumi, H. (2009). Effects of Severe Plastic Deformation and Thermo-
mechanical Treatments on Microstructures and Mechanical Properties of β-type Titanium Alloys for Biomedical Applications.
Proc. PFAM XIII, pp. 1401–1410.
26. Guo, S. et al. (2015). Design and fabrication of a metastable β-type titanium alloy with ultralow elastic modulus and high
strength. Scientific Reports, vol. 5, 14688, doi: https://doi.org/10.1038/srep14688
REFERENCES
95ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
27. Yu, F. et al. (2021). A novel strategy for developing α + β dual-phase titanium alloys with low Young’s modulus and high yield
strength. Journal of Materials Science & Technology, vol. 76, pp. 122–128, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.018
28. Strasky, J. et al. (2022). Achieving high strength and low elastic modulus in interstitial biomedical Ti–Nb–Zr–O alloys
through compositional optimization. Materials Science and Engineering: A, vol. 839, 142833, doi: https://doi.org/10.1016/j.
msea.2022.142833
29. Zhou, Y.L., Niinomi, M. (2009). Ti-25Ta alloy with the best mechanical compatibility in Ti-Ta alloys or biomedical applications.
Materials Science and Engineering: C, vol. 29, pp. 1061–1065, doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2008.09.012
30. Bertrand, E. et al. (2010). Synthesis and characterisation of a new superelastic Ti–25Ta–25Nb biomedical alloy. Journal of the
mechanical behavior of biomedical materials, vol. 3, pp. 559–564, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2010.06.007
31. Shun, G., Qingkun, M., Guangyue, L., Liang, H., Xinqing, Z. (2013). Microstructural evolution and mechanical behavior of
metastable β-type Ti–25Nb–2Mo–4Sn alloy with high strength and low modulus. Progress in Natural Science: Materials
International, vol. 23, pp. 174–182, doi: https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2013.03.008
32. Tane, M. et al. (2008). Peculiar elastic behavior of Ti–Nb–Ta–Zr single crystals. Acta Materialia, vol. 56, pp. 2856–2860, doi:
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2017.06.006
33. Alabort, E., Tang, Y.T., Barba, D., Reed, R.C. (2022). Alloys-by-design: A low-modulus titanium alloy for additively manufactured
biomedical implants. Acta Materialia, vol. 229, 117749, doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117749
34. Prilutsky, V.P., Akhonin, S.V., Schwab, S.L., Petrychenko, I.K. (2018). Effect of Heat Treatment on the Structure and Properties
of Titanium Alloy VT22 Welded Joints Produced by TIG-Welding with Flux-Cored Wire. Materials Science Forum, vol. 927,
рр. 119–125, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.927.119
Received 30.05.2022
Summary
The analysis of the main aspects of titanium alloys for endoprosthetics creation were overviewed from the point of most opti-
mum complex of operational characteristics – biocompatibility and mechanical properties.
Known biomedical alloys, which are still widely used, often contain toxic components – Al, V, Fe, Cr and Co. Obviously, the
maximum biocompatibility is achieved by alloying titanium with non-toxic elements, the list of which among base metals is very
limited: Zr, Nb, Ta, Sn, Mo.
The combination of the task of ensuring maximum biocompatibility and high mechanical properties requires finding the op-
timal chemical compositions of alloys. It is important to follow the modern condition of ensuring the minimum modulus of
elasticity of the alloy for endoprosthesis, which significantly increases the safety and durability of its exploitation. During the
processing of literature sources it was determined that these requirements are best met by next alloys: Ti-13Nb-13Zr, Ti-
24Nb-12Zr and Ti-(24-26)Nb-(4-8)Zr-(7-8Sn). Their tensile strength is at the level of 800–1000 MPa, and modulus of elastic-
ity – at the level of 45–65 GPa.
Approaches and methods of additional reduction of elasticity modulus with simultaneous increase of strength are considered.
It is established that the most effective ways are based on intensive plastic deformation, grain refining after recrystallization
and heat treatment, which includes hardening and short-term aging.
Biomedical titanium alloys, endoprosthetics, biocompatibility, low modulus alloys, Ti-Zr-Nb, Ti-
Zr-Nb-Sn.Keywords
М.М. Voron1, PhD (Engin.), Senior Researcher, e-mail: mihail.voron@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-0804-9496
S.L. Schwab2, PhD (Engin.), Senior Researcher,
e-mail: serg.schwab@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-4627-9786
R.V. Selin2, PhD (Engin.), Senior Researcher, e-mail: selinrv@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-2990-1131
1Physico-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine
(Kyiv, Ukraine)
2E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine (Kyiv, Ukraine)
Modern approaches in the development of biocompatible titanium alloys with a high level of
performance properties
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-21 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-23T01:01:40Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/34/8d922d08b7eccbfcbdf402e2435d5a34.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-212026-07-22T12:09:42Z Modern approaches in the development of biocompatible titanium alloys with a high level of performance properties Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей Ворон, Михайло Шваб, Сергій Селін, Роман biomedical titanium alloys endoprosthetics biocompatibility low modulus alloys Ti-Zr-Nb Ti-Zr-Nb-Sn біомедичні титанові сплави ендопротезування біосумісність сплави з низьким модулем пружності Ti-Zr-Nb Ti-Zr-Nb-Sn The analysis of the main aspects of titanium alloys for endoprosthetics creation were overviewed from the point of most optimum complex of operational characteristics – biocompatibility and mechanical properties. Known biomedical alloys, which are still widely used, often contain toxic components – Al, V, Fe, Cr and Co. Obviously, the maximum biocompatibility is achieved by alloying titanium with non-toxic elements, the list of which among base metals is very limited: Zr, Nb, Ta, Sn, Mo. The combination of the task of ensuring maximum biocompatibility and high mechanical properties requires finding the optimal chemical compositions of alloys. It is important to follow the modern condition of ensuring the minimum modulus of elasticity of the alloy for endoprosthesis, which significantly increases the safety and durability of its exploitation. During the processing of literature sources it was determined that these requirements are best met by next alloys: Ti-13Nb-13Zr, Ti24Nb-12Zr and Ti-(24-26)Nb-(4-8)Zr-(7-8Sn). Their tensile strength is at the level of 800–1000 MPa, and modulus of elasticity – at the level of 45–65 GPa. Approaches and methods of additional reduction of elasticity modulus with simultaneous increase of strength are considered. It is established that the most effective ways are based on intensive plastic deformation, grain refining after recrystallization and heat treatment, which includes hardening and short-term aging. Представлено аналіз головних аспектів створення титанових сплавів для ендопротезування, які б володіли найбільш оптимальним комплексом експлуатаційних характеристик – біосумісності та механічних властивостей. Відомі біомедичні сплави, які досі широко використовуються, мають у своєму складі токсичні компоненти – Al, V, Fe, Cr та Со. Очевидно, що максимальна біосумісність досягається завдяки легуванню титану нетоксичними елементами, перелік яких серед неблагородних металів дуже обмежений: Zr, Nb, Ta, Sn, Mo. Поєднання задачі забезпечення максимальної біосумісності та високих механічних властивостей вимагає знаходження оптимальних хімічних складів сплавів. При цьому важливо слідувати важливій сучасній умові забезпечення мінімального модуля пружності металу ендопротезу, що суттєво підвищує безпечність і довговічність його експлуатації. В ході аналізу літературних джерел було визначено, що даним вимогам найбільшою мірою відповідають сплави Ti-13Nb-13Zr, Ti-24Nb-12Zr та Ti-(24-26)Nb-(4-8)Zr-(7-8Sn). Їх межа міцності знаходиться на рівні 800–1000 МПа, а модуль пружності – на рівні 45–65 ГПа. Розглянуто підходи і методи додаткового зниження модуля пружності з одночасним підвищенням міцності. Встановлено, що найбільш ефективними є підходи, які базуються на інтенсивній пластичній деформації, зерноподрібненні після рекристалізації та термічній обробці, яка включає в себе гартування та короткотривале старіння. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2023-05-20 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/21 10.15407/steelcast2022.02.088 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 30 No. 2 (2022): Metal and Casting of Ukraine Метал та лиття України ; Том 30 № 2 (2022): Метал та лиття України 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/21/21 Авторське право (c) 2023 Михайло Ворон, Сергій Шваб, Роман Селін https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | біомедичні титанові сплави ендопротезування біосумісність сплави з низьким модулем пружності Ti-Zr-Nb Ti-Zr-Nb-Sn Ворон, Михайло Шваб, Сергій Селін, Роман Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей |
| title | Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей |
| title_alt | Modern approaches in the development of biocompatible titanium alloys with a high level of performance properties |
| title_full | Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей |
| title_fullStr | Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей |
| title_full_unstemmed | Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей |
| title_short | Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей |
| title_sort | сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей |
| topic | біомедичні титанові сплави ендопротезування біосумісність сплави з низьким модулем пружності Ti-Zr-Nb Ti-Zr-Nb-Sn |
| topic_facet | biomedical titanium alloys endoprosthetics biocompatibility low modulus alloys Ti-Zr-Nb Ti-Zr-Nb-Sn біомедичні титанові сплави ендопротезування біосумісність сплави з низьким модулем пружності Ti-Zr-Nb Ti-Zr-Nb-Sn |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/21 |
| work_keys_str_mv | AT voronmihajlo modernapproachesinthedevelopmentofbiocompatibletitaniumalloyswithahighlevelofperformanceproperties AT švabsergíj modernapproachesinthedevelopmentofbiocompatibletitaniumalloyswithahighlevelofperformanceproperties AT selínroman modernapproachesinthedevelopmentofbiocompatibletitaniumalloyswithahighlevelofperformanceproperties AT voronmihajlo sučasnípídhodivrozrobcíbíosumísnihtitanovihsplavívzpídviŝenimrívnemekspluatacíjnihvlastivostej AT švabsergíj sučasnípídhodivrozrobcíbíosumísnihtitanovihsplavívzpídviŝenimrívnemekspluatacíjnihvlastivostej AT selínroman sučasnípídhodivrozrobcíbíosumísnihtitanovihsplavívzpídviŝenimrívnemekspluatacíjnihvlastivostej |