Учёные Тольятти научатся управлять коррозией магниевого сплава

По итогам конкурса 2021 года Президентской программы исследовательских проектов «Проведение исследований научными группами под руководством молодых учёных» РНФ поддержит 318 молодёжных научных групп с финансированием в 3-6 миллионов рублей в год. В том числе проект команды 7 молодых учёных Тольяттинского госуниверситета под руководством кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника научно-исследовательского института прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ Евгения Мерсона.

В НИИПТ на протяжении последних пяти лет работают над биорезорбируемыми медицинскими магниевыми сплавами, предназначенными для изготовления широкого спектра временных медицинских конструкций – имплантатов, стентов, винтов и т.д., применяемых, например, для сращивания костей после повреждений и переломов.

В ходе исследования учёные опорного ТГУ уже разработали технологию получения перспективного биорезорбируемого сплава системы Mg-Zn-Ca, обладающего высоким комплексом механических свойств и необходимой скоростью растворения в среде человеческого организма. Иными словами, изделия из таких магниевых сплавов, в отличие от традиционных титановых или стальных винтов и пластин, просто растворяются. Их не нужно извлекать после сращивания путём повторного хирургического вмешательства, что позволяет пациентам выздоравливать без дополнительных травм и затрат.

Для предотвращения слишком раннего или запоздалого растворения изделия, по словам Евгения Мерсона, магниевый сплав должен обладать заданной скоростью коррозии. Обеспечить целостность имплантированной конструкции до полного заживления организма – задача, которую учёные ТГУ намерены решить в рамках полученного гранта. При этом важно и то, как сплав реагирует на коррозионную среду в условиях воздействия внешней механической нагрузки. Под напряжением развивается коррозионное растрескивание, которое достаточно быстро может привести к хрупкому разрушению изделия задолго до запланированного окончания срока его эксплуатации.

Чтобы решить проблему учёные исследуют влияние различных факторов – химического состава (содержание Zn и Ca) и режимов термомеханической обработки – на микроструктуру, фазовый состав данных сплавов и их механические свойства при испытаниях на воздухе и в коррозионной среде, имитирующей плазму крови человека.

На практике полученные результаты позволят модифицировать биорезорбируемые магниевые сплавы, в которых сильно заинтересованы медицинские учреждения России и других стран. Данные исследования также представляют интерес для автомобильной и авиакосмической промышленности, где используется класс деформируемых магниевых сплавов. Таким образом проект развивается не только как самостоятельное научное исследование, но и органично вписывается в концепцию научно-образовательного центра (НОЦ) «Инженерия будущего» Самарской области, занимающегося решением крупных научно-технологических задач, в том числе, авиастроительной промышленности. Напомним, ТГУ является соучредителем и активным участником консорциума НОЦ «Инженерия будущего». 

– Среди известных металлических конструкционных материалов магний обладает непревзойденной удельной прочностью. Сразу на 30% можно снизить вес изделия, если заменить алюминиевые сплавы на магниевые. Транспортное средство начинает работать эффективнее, потребляет меньше топлива и меньше загрязняет атмосферу, – поясняет Евгений Мерсон. – Однако и в этой области применение сплавов на основе магния всё еще сильно лимитировано из-за их низкой коррозионной стойкости и высокой восприимчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) и коррозионной усталости. Таким образом, масштаб и научная значимость проблемы, рассматриваемой в проекте, не ограничиваются узкой областью биорезорбируемых магниевых имплантатов, а затрагивают вопрос о надёжности эксплуатации магниевых сплавов в целом.

Закономерности влияния микроструктуры и химического состава медицинских магниевых сплавов, которые будут установлены в ходе выполнения настоящего проекта, в будущем вполне могут быть учтены и при создании единой научно-обоснованной теории КРН магниевых сплавов и других металлических материалов.