Разработка рецептур, технологий получения и дизайна микроструктуры перспективных материалов на основе магния технического и медицинского назначения

Основной задачей лаборатории, создаваемой в рамках проекта, является повышение служебных характеристик существующих магниевых сплавов, и разработка новых перспективных сплавов путем научно-обоснованного выбора рецептуры, применения инновационных технологий термомеханической обработки и защиты поверхности. Данными вопросами коллектив лаборатории занимается уже длительное время на основе всестороннего изучения физической природы механического и коррозионного поведения материалов на основе магния. Одно из основных направлений исследований лаборатории связано с разработкой конструкционных сплавов магния технического назначения, необходимых для решения широкого спектра задач аэрокосмической, автомобильной и оборонной промышленности: литейные сплавы для корпусных и силовых элементов авиационной техники; деформируемые сплавы для изготовления элементов силовых конструкций, движущихся частей двигателей авиационной, автомобильной и бытовой техники. Заинтересованность к развитию данного направления уже проявили: ООО «СОМЗ» (г. Соликамск); АО ГМЗ «Агат» (Гаврилов Яр); Филиал АО «ОДК» (г. Москва), ПАО ОДК «Кузнецов» (г. Самара), АО «Национальный центр вертолетостроения им. М.Л. Миля и Н.И. Камова» (г. Москва) и др. Решение проблем, существующих в этой области (относительно низкие показатели усталостных и коррозионных свойств), требует применение подходов, включающих фундаментальные исследования по влиянию химического состава, режимов и методов термомеханической и поверхностной обработки на микроструктуру и свойства магниевых сплавов.

Другим ключевым направлением научной деятельности лаборатории является разработка биорезорбируемых магниевых сплавов, необходимых медицине для изготовления временных металлических конструкций (дренаж для хирургического лечения глаукомы; ортопедические имплантаты, челюстные имплантаты; хирургические скобы, накостные пластины, внутрикостные винты, интрамедуллярные гвозди и штифты, фиксаторы шовного материала, стержни; зубные временные имплантаты; имплантаты в сочетании с аутокостью для контурной пластики лица, эндопротезы и протезы в области твердых и мягких тканей и многое другое). Заинтересованность в развитии этого направления проявили Министерство Обороны РФ, Клиники хирургической направленности гг. Самары и Тольятти и др. К материалам, используемым для изготовления изделий данного типа, применяются весьма строгие требования, что обусловливает необходимость подбора их оптимального химического состава в условиях сильно ограниченного набора допустимых легирующих элементов, а также поиска путей модификации их микроструктуры и поверхности в целях повышения комплекса механических, коррозионно-усталостных и медико-биологических свойств, а также заданной скорости резорбции.

Все описанные выше направления исследований полностью соответствуют приоритетным направлениям НТР РФ: 20а «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта» и 20в «Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов», а также органично укладываются в концепцию НОЦ «Инженерия будущего» по направлению деятельности «Сектора новых инженерных компетенций» в рамках проекта «Разработка цифровых двойников материалов и технологических процессов их обработки на примере перспективных алюминиевых сплавов для авиа-, ракето-, судо- и автомобилестроения».

Работы по Проекту будут полностью согласованы с исследованиями, выполняемыми в рамках созданного Консорциума «Новые технологии для магниевых сплавов», в состав которого входят: Тольяттинский государственный университет, Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, Самарский государственный медицинский университет, ООО «Соликамский опытно-металлургический завод».

1. Разработка литейных жаропрочных конструкционных магниевых сплавов с высокими усталостными свойствами. Потенциал использования: корпусные изделия, крышки, силовые кронштейны и др. В качестве основных систем легирования будут приняты системы типа Mg-Y-Zn-Zr и Mg-Gd-Zn-Zr c добавками редкоземельных металлов, в микроструктуре которых будет реализована длиннопериодическая, так называемая, LPSO структура. Усталостные свойства таких композиций в литом состоянии до сих пор никем не исследованы, а для авиационной техники они являются принципиально важными. По окончании проекта предполагается достичь величины предела выносливости на уровне 100 МПа, а временного сопротивления при температуре 200 С – на уровне 200 МПа.
2. Разработка деформируемых магниевых сплавов с повышенными теплофизическими свойствами. Потенциал использования: элементы двигателей, приборов и агрегатов, что должно улучшить динамику работы двигателей. Основной системой легирования предполагается система Mg-Y-Zn-Zr, а достижение высоких физико-механических и теплофизических характеристик планируется за счет передовых методов интенсивной пластической деформации (например, всесторонней изотермической ковки) и модификации поверхности (например, за счет плазменно-электролитического оксидирования). По окончанию проекта предполагается получить магниевый сплав по уровню свойств близкий к поршневому алюминиевому сплаву 4032.
3. Создание магниевых сплавов медицинского назначения с повышенной стойкостью к коррозионной усталости. Потенциал использования: временные имплантаты, стенты и др. Основными системами легирования для данных сплавов будут приняты системы Mg-Zn-Ca и Mg-Zn-Y с минимально допустимым количеством легирующих элементов для обеспечения требования нетоксичности по отношению к человеческому организму. Коррозионно-усталостные свойства медицинских магниевых сплавов в мире изучены чрезвычайно слабо, в то же время они крайне важны для расчета долговечности работы, изготовленных из них медицинских изделий.

В первый год выполнения проекта основное внимание будет уделено выяснению связи параметров микроструктуры с усталостными свойствами литейных жаропрочных сплавов и отработке методики оценки коррозионной усталости биорезорбируемых магниевых сплавов. Во второй год планируется провести исследование связи микроструктуры с теплофизическимии усталостными свойствами деформируемых теплостойких магниевых сплавов, а также исследование усталостных и коррозионно-усталостных свойств на модельных медицинских магниевых сплавах системы Mg-Zn-Ca с варьированием содержания цинка. На третий год запланировано проведение работ по аттестации микроструктуры, физико-механических, теплофизических, коррозионных и других свойств разработанных магниевых сплавов с акцентом на установление взаимосвязи между исследованными параметрами.
 
(1) Результаты аттестации микроструктуры разработанных сплавов с использованием методов высокоразрешающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа, которые позволят установить связи между химическим составом, микроструктурой и физико-механическими свойствами для научно-обоснованного проектирования дизайна магниевых сплавов под конкретные задачи.
(2) Результаты механических и усталостных испытаний, позволяющие оценить достигнутый уровень механических свойств в сравнении с существующими марками магниевых сплавов.
(3) Результаты исследования теплофизических свойств разработанных сплавов, позволяющие с высокой надежностью определить возможную область их применения (например, температурный диапазон) и необходимые для расчета температурных полей в конструкциях, содержащих элементы из разработанных сплавов.
(4) Методика проведения коррозионно-усталостных свойств биорезорбируемых магниевых сплавов, которая позволит получить воспроизводимые разными исследователями результаты, учитывать критически важные для эксперимента внешние факторы, а также определить условия сравнимости полученных данных с исследованиями других авторов.
(5) Результаты исследования природы коррозионной усталости в биорезорбируемых магниевых сплавах позволят существенно снизить трудоемкость работ по поиску путей улучшения коррозионных свойств за счет снижения вариативности возможных решений.
(6) Будут определены входные характеристики, необходимые и достаточные для расчета и оценки долговечности работы медицинских изделий из биорезорбируемых сплавов.
(7) Будут разработаны рекомендации и требования к микроструктуре сплавов различного назначения.

В рамках выполнения в 2021 году (1 этапа) проекта № FEMR-2021-0011 все запланированные работы были выполнены в полном объеме в том числе сверх запланированного проведена работа по новой, но чрезвычайно перспективной области применения магниевых сплавов в качестве электрических аккумуляторов.

В результате проведённых работ получены следующие основные результаты:

1. Разработанный сплав после термообработки по режиму: гомогенизирующий отжиг  → закалка в горячую воду → старением обеспечивает предел выносливости на базе 2×107 циклов на уровне 100 МПа, что в 1,5 раза выше по сравнению с серийными МЛ10 после стандартной термообработки Т6.
2. Усовершенствована методика коррозионно-усталостных испытаний магниевых сплавов, согласно которой для воспроизводимости результатов необходимо согласовывать частоту проведения испытания в более узком интервале по сравнению с испытаниями на воздухе.
3. Для магниевого сплава МА14 установлено, что при коррозионно-усталостных испытаниях миниатюрных образцов (соответствующих по толщине стандартным имплантатам) процесс общего разрушения является следствием реализации целого комплекса различных механизмов: первичного разрушения материала под воздействием коррозии, инициации зарождения усталостных трещин, и их развитие по механизму коррозии под напряжением.
4. Изготовлен аккумуляторный анод, представляющий композиционный материал, в составе которого равномерно распределяются наночастицы магния. Такой подход позволяет получить удельную плотность энергии на уровне 1586±25 Вт×час/кг, что значительно больше по сравнению с имеющимися в открытой печати данными.

В рамках выполнения в 2022 году (2 этапа) проекта № FEMR-2021-0011 все запланированные работы были выполнены в полном объеме в том числе сверх запланированного проведена работа по использованию метода акустической эмиссии для идентификации процессов, протекающих при растяжении магниевых сплавов после модифицирования поверхности.

В результате проведённых работ получены следующие основные результаты:

1. Сплавы системы Mg-XRE-2.4Zn-0.7Zr (где X составляет 10%, 11% и 12%) после оптимальной термообработки обеспечили предел выносливости на базе 2×107 циклов на уровне 70 МПа, 80 МПа и 100 МПа соответственно, что в 1,2, 1,3 и 1,6 раза выше по сравнению с серийными МЛ10 после стандартной термообработки Т6.
2. Изучено влияние компонентного состава электролита на комплекс структурно-фазовых, механических и антикоррозионных характеристик оксидных слоев, формируемых ПЭО на сплаве МА14. Показано, что различными добавками можно повышать твердость, адгезионную прочность и антикоррозионные свойства до 30%, 50% и 1-2 порядков соответственно, а также усталостную прочность сплава в коррозионной среде при малых амплитудах нагрузок до 2-х раз.
3. Показано, что при проектировании магниевых сплавов, работающих в условиях коррозионно-усталостного нагружения, повышенные показатели стойкости к воздействию среды имеют более важное значение по сравнению с более высокими значениями усталостной долговечности.
4. Получен биорезорбируемый магниевый сплав системы Mg-2,0Zn-0,1Ca, в виде прутка, который после экструзии обладает пределом выносливости на уровне 85 МПа на воздухе на базе 1×107 циклов, и 70 МПа в коррозионной среде 0,9% NaCl на базе 2×105 циклов, что соответствует уровню лучших мировых результатов.
5. Показано, что анод на основе полимерной матрицы и наночастиц магния может работать в агрессивной среде водного раствора хлорида калия. Пленка электропроводного полимерного материала защищает наночастицы магния от окисления, благодаря чему напряжение разряда гальванического элемента поддерживается на высоком уровне (≈2,4 В). Полученные данные могут быть полезны для изготовления аккумуляторов с ионами магния с высокой плотностью энергии.