Doklady ChemistryDoklady ChemistryДоклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах2686-95353034-5111The Russian Academy of Sciences68326510.31857/S2686953525010048AWGWODCHEMICAL TECHNOLOGYХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯResearch ArticlePreparation and study of titanium alloy Ti–38Zr–9Nb (at. %) for medical purposesПолучение и исследование титанового сплава Ti–38Zr–9Nb (ат. %) медицинского назначенияKaplanM. A.КапланМ. А.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruKonushkinS. V.КонушкинС. В.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruSergienkoK. V.СергиенкоК. В.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruGorbenkoA. D.ГорбенкоА. Д.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruZhidkovV. K.ЖидковВ. К.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruVolchikhinaM. A.ВолчихинаМ. А.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruSevostyanovaT. M.СевостьяноваТ. М.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruMorozovaYa. A.МорозоваЯ. А.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruIvannikovA. Yu.ИванниковА. Ю.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruFrolovaM. G.ФроловаМ. Г.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruKolmakovA. G.КолмаковА. Г.
Russian Federation

Corresponding Member of the RAS

член-корреспондент РАН

mishakaplan@yandex.ruSevostyanovM. A.СевостьяновМ. А.
Russian Federation
mishakaplan@yandex.ruBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of SciencesИнститут металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наукPirogov Russian National Research Medical UniversityРоссийский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова150220255201334007062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/2686-9535/article/view/683265

Titanium and its alloys have a number of unique properties, such as high specific strength, corrosion resistance, non-toxicity and biocompatibility with human tissues. Due to these properties, they are widely used to create prosthetic joints for the human body. However, the material used for implants, VT6 (Ti–6Al–4V), can cause a stress shielding effect due to a higher elastic modulus (110 GPa) compared to human bone (<30 GPa). In addition, Al and V ions released from the VT6 alloy can cause health problems such as Alzheimer's disease, osteomalacia and neuropathy. Therefore, the development of titanium-based materials that are non-toxic and have mechanical properties corresponding to natural bone is an urgent task. In this paper, we study Ti–38Zr–9Nb (at. %) alloy ingots and plates obtained from them. Particular attention is paid to the homogeneity of the chemical composition, microstructure, phase composition and mechanical properties. The ingots obtained as a result of the work are suitable for further pressure processing. Homogenizing annealing at a temperature of 1000°C for two hours destroys the dendritic structure of the alloy. After homogenizing annealing, the α'-phase completely dissolves in the β-phase, which is the main one for using the alloy in implants. The microstructure of the plates is uniform and consists of polyhedral β-grains. The grain size after rolling is approximately 100 μm. X-ray phase analysis showed that the alloy consists of metastable β-Ti stabilized by Nb and Zr. The Ti-38Zr-9Nb alloy has good mechanical properties, which make it a suitable material for medical purposes.

Титан и его сплавы обладают рядом уникальных свойств, таких как высокая удельная прочность, устойчивость к коррозии, нетоксичность и биосовместимость с тканями человека. Благодаря этим свойствам они широко используются для создания протезов суставов человеческого тела. В данной работе исследуются слитки сплавов Ti–38Zr–9Nb (ат. %) и полученные из них пластины. Особое внимание уделяется однородности химического состава, микроструктуре, фазовому составу и механическим свойствам. Полученные слитки подходят для дальнейшей обработки давлением. Гомогенизирующий отжиг при температуре 1000°С в течение двух часов разрушает дендритную структуру сплава. После гомогенизирующего отжига α′-фаза полностью растворяется в β-фазе, которая является основной для использования сплава в имплантах. Микроструктура пластины однородна и состоит из полиэдрических β-зерен. Размер зерен после прокатки составляет примерно 100 мкм. Рентгенофазовый анализ показал, что сплав состоит из метастабильного β-Ti, стабилизированного Nb и Zr. Сплав Ti–38Zr–9Nb обладает механическими свойствами, близкими к свойствам человеческой кости, а именно низким модулем упругости, высокой прочностью и пластичностью, которые делают его перспективным материалом для применения в медицинских целях.

titanium alloyszirconium alloysbiocompatible materialsingotsplatesmechanical propertieselastic modulusmicrostructureтитановые сплавыциркониевые сплавыбиосовместимые материалыслиткипластинымеханические свойствамодуль упругостимикроструктураРоссийский научный фондRussian Science Foundation24-13-00186Kim H.Y., Ikehara Y., Kim J.I., Hosoda H., Miyazaki S. // Acta mater. 2006. Т. 54. № 9. P. 2419–2429. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.01.019Zhang J., Li Y., Li W. // J. Mater. Sci. 2021. Т. 56. P. 11456–11468. https://doi.org/10.1007/s10853-021-05814-4Patel N., Gohil P. // Int. J. Emerg. Technol. Adv. Eng. 2012. T. 2. № 4. P. 91–101.Bai L., Gong C., Chen X., Sun Y., Zhang J., Cai L., Zhu S., Xie S.Q. // Metals. 2019. T. 9. № 9. P. 1004. https://doi.org/10.3390/met9091004Chao Q., Hodgson P.D., Beladi H. // Metall. Mater. Trans. A. 2014. V. 45. P. 2659–2671. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2205-5Park Y.J., Song Y.H., An J.H., Song H.J., Anusavice K.J. // J. Dent. 2013. V. 41. № 12. P. 1251–1258. https://doi.org/10.1016/j.jdent.2013.09.003Li Y., Wong C., Xiong J., Hodgson P., Wen C. // J. Dent. Res. 2010. V. 89. № 5. P. 493–497. https://doi.org/10.1177/0022034510363675Schneider S.G., Nunes C.A., Rogero S.O., Higa O.Z., Bressiani J.C. // Biomecánica. 2000. V. 8. № 1. P. 84–87. https://doi.org/10.5821/sibb.v8i1.1653Mishra A.K., Davidson J.A., Poggie R.A., Kovacs P., Ted J. Mechanical and tribological properties and biocompatibility of diffusion hardened Ti-13Nb-13Zr – A new titanium alloy for surgical implants. In: Medical applications of titanium and its alloys. Brown S.A., Lemons J.E. (eds). ASTM STP 1272, ASTM International, West Conshohocken, PA, 1996. pp. 96–116.Black J. Biological performance of materials. Fundamentals of biocompability. 4th ed. Taylor & Francis Group, LCC: Abingdon, UK, 2005. 520 p. https://doi.org/10.1201/9781420057843Конушкин С.В., Кирсанкин А.А., Михайлова А.В., Румянцев Б.А., Лукьянов А.С., Каплан М.А., Горбенко А.Д., Сергиенко К.В., Насакина Е.О., Колмаков А.Г., Севостьянов М.А. // Электрометаллургия. 2023. № 10. C. 2–8. https://doi.org/10.31044/1684-5781-2023-0-10-2-8Насакина Е.О., Сударчикова М.А., Баикин А.С., Мельникова А.А., Демин К.Ю., Дормидонтов Н.А., Прокофьев П.А., Конушкин С.В., Сергиенко К.В., Каплан М.А., Севостьянов М.А., Колмаков А.Г. // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 12. С. 25–29. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2023-12-25-29Сергиенко К.В., Михайлова А.В., Конушкин С.В., Каплан М.А., Насакина Е.О., Севостьянов М.А., Баикин А.С., Колмаков А.Г. // Металлы. 2022. № 4. C. 33–39. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2023-12-32-42Mohammed M.T., Khan Z.A., Siddiquee A.N. // Int. J. Chem. Nucl. Metall. Mater. Eng. 2014. V. 8. № 8. P. 822–827. https://doi.org/10.5281/zenodo.1094481Chen Q., Thouas G.A. // Mater. Sci. Eng. R Rep. 2015. V. 87. P. 1–57. https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.10.001Liu Q., Meng Q., Guo S., Zhao X. // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 2013. V. 23. № 6. P. 562–565. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2013.11.005Raffa M.L., Nguyen V.-H., Hernigou P., Flouzat-Lachaniette C.H., Haiat G. // J. Orthop. Res. 2021. V. 39. № 6. 1174–1183. https://doi.org/10.1002/jor.24840Shahzamanian M.M., Banerjee R., Dahotre N.B., Srinivasa A.R., Reddy J.N. // Compos. Struct. 2023. V. 39. 117262. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117262Konushkin S.V., Kaplan M.A., Sergienko K.V., Gorbenko A.D., Morozova Y.A., Ivannikov A.Yu., Sudarchikova M.A., Sevostyanova T.M., Nasakina E.O., Mikhlik S.A., Kolmakov A.G., Sevostyanov M.A. // Inorg. Mater. Appl. Res. 2024. V. 15. № 2. P. 395–401. https://doi.org/10.1134/S2075113324020266Hanawa T. // Sci. Technol. Adv. Mater. 2022. V. 23. № 1. P. 457–472. https://doi.org/10.1080/14686996.2022.2106156Popescu S.M., Manolea H., Diaconu O.A., Mercuţ V., Scrieciu M., Dascǎlu I.T., Ţuculina M.J., Obadan F., Popescu F.D. // Defect and Diffusion Forum, 2017. V. 376. P. 12–28. https://doi.org/10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/DDF.376.12O’Brien B. Niobium biomaterials. In: Advances in metallic biomaterials. Niinomi M., Narushima T., Nakai M. (eds). Springer Series in Biomaterials Science and Engineering, vol. 3. Springer, Berlin, Heidelberg, 2015. 245–272. https://doi.org/10.1007/978-3-662-46836-4_11Sergienko K.V., Konushkin S.V., Kaplan M.A., Gorbenko A.D., Guo Y., Nasakina E.O., Sudarchikova M.A., Sevostyanova T.M., Morozova Ya.A., Shatova L.A., Mikhlik S.A., Sevostyanov M.A., Kolmakov A.G. // Metals. 2024. V. 14. №11. 1311. https://doi.org/10.3390/met14111311Wang B.L., Li L., Zheng Y.F. // Biomed. Mater. 2010. V. 5. № 4. 044102. https://doi.org/10.1088/1748-6041/5/4/044102