Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Проведен анализ структуры и фазового состава исходных СЛС образцов из стали 316L с различной плотностью (92% и 99,6%). Показано, что появление в СЛС образце с плотностью 92% дополнительных фаз (дельта-феррита или мартенсита) зависит от технологических параметров 3D принтера. Появление остаточного дельта-феррита произошло за счет снижения мощности лазера при печати, что привело к изменению температурного диапазона, в котором находился образец при его росте в камере 3D принтера. Снижение мощности лазера привело к формированию газовых и технологических пор, появление которых свидетельствует о длительном нахождении образца в режиме кипения (газовые поры) и недостаточном температурно-скоростном режиме для полного расплавления порошка (технологические поры). В СЛС образцах с плотностью 99,6% обнаружены округлые газовые поры размерами 1 – 3 мкм и ячеисто-дендритная структура. Проведено исследование неметаллических включений, присутствующих в СЛС образце, полученном с плотностью 99,6%. Обнаружено, что неметаллические включения обогащены кислородом, кремнием, хромом и марганцем. Содержание железа и никеля в обнаруженных включениях оказалось низким. По химическому составу эти включения оказались близки по составу к сложным силикатам типа оливина группы (Me)2SiO4 (тефроита). Показано, что присутствие сложных силикатов типа тефроита в СЛС образцах наследуется из исходного порошка стали 316L, в котором этот силикат образуется при раскислении промышленной стали. https://www.youtube.com/watch?v=v9gUu20TxjY 2. Проведено исследование неустойчивого пластического течения в пористых образцах из стали 316L (плотность 92%) после деформации сжатием при комнатной температуре с различными скоростями деформации. Показано, что деформация сжатием СЛС образцов при комнатной температуре до 30% в диапазоне скоростей нагружения 10-4 - 10-3 с-1 приводит к нестабильному пластическому течению, описываемому эффектом Портевена ле Шателье. Установлено, что предел текучести и средняя скорость упрочнения (WHR) зависят от скорости деформации и увеличиваются с увеличением скорости деформации. На боковых поверхностях исследованных образцов обнаружены полосы локализованной деформации (полосы Портевена-Ле Шателье, ПЛШ). Анализ текстуры показал, что с изменением скорости деформации также происходит смена текстуры с (-1-12)[111] при низкой скорости деформации 8х10-4 с-1 на текстуру Госса (01-1)[100] при высокой 2х10-2 с-1, что свидетельствует о смене механизмов деформации в исследуемых образцах. По данным электронно-микроскопического анализа с увеличением скорости деформации в структуре обнаружен переход от двойникования к микродвойникованию. https://fizteh.urfu.ru/fileadmin/user_upload/site_19855/Conference/2022/Tezisy_FTF-2022_woISBN_1.0.pdf 3. Методами просвечивающей электронной микроскопии были исследованы условия и особенности протекания мартенситного превращения в образцах из аустенитной стали 316L, полученных с помощью лазерной 3D печати. Обнаружено формирование мартенсита деформации в СЛС образцах после сжатия до 30% при комнатной температуре со скоростью деформации 2х10-2 c-1. Установлено, что структура мартенсита деформации в исследованных СЛС образцах схожа с той, которую наблюдают в обычных сталях 316L. Полученные результаты свидетельствуют о том, что образцы стали 316L, полученные с помощью лазерной 3D печати отличаются от их аналогов, полученных традиционными способами литья. В СЛС образцах альфа штрих-мартенсит обнаружен после высокоскоростной деформации до 30% сжатием при комнатной температуре, что является необычным для стабильной аустенитной стали. Знание условия протекания и морфологические особенности мартенситного превращения в сталях аустенитного класса, полученных с помощью лазерного 3D принтера, имеет существенное значение для оценки уровня длительной прочности полученных из них изделий. https://drive.google.com/file/d/1rt7BJFAdo5A23PPiJcbIKckpqsFt_dSb/view 4. Проведено исследование магнитных свойств деформированных с разной скоростью образцов, полученных их порошка аустенитной стали 316L методом аддитивной лазерной печати. Магнитными методами и с помощью просвечивающей электронной микроскопии обнаружено присутствие остаточного дельта-феррита в исходном СЛС образце. Петли магнитного гистерезиса наблюдались во всех исследованных образцах. Анализ величины коэрцитивной силы показал, что в исходном образце присутствуют включения ферромагнитной фазы дельта - феррита. С увеличением скорости деформации наблюдается увеличение значения намагниченности насыщения (Js) в СЛС образцах, при этом чем выше скорость деформации, тем больше значение Js. Это указывает на увеличение процентного содержания ферромагнитной фазы из-за распада аустенита при деформации. Остаточная намагниченность Jr также увеличивается с увеличением скорости деформации, что может указывать на образование деформационного мартенсита. Наличие деформационного мартенсита подтверждается изменением величины коэрцитивной силы (Hc), которая увеличилась в четыре раза. Наличие мартенсита в деформированных образцах также подтверждается электронно-микроскопическими исследованиями. http://apmra-kzn.com/proceedings/mrschool2022.pdf 5. Исследованы костные винты, используемые для имплантации и полученные с помощью электронно-лучевого 3D принтера из порошка стали 316L медицинского назначения. Исследование показало, что метод аддитивного производства EBM может быть успешно использован для изготовления медицинских имплантатов сложной формы. Была обнаружена высокая шероховатость поверхности имплантата EBM. Высокая шероховатость обычно является критическим недостатком изделия и метода EBM, однако в нашем случае она необходима для успешной остеоинтеграции имплантата в организме. Анализ внутренней структуры имплантата позволяет предположить причины быстрого последующего разрушения, которое связано с неоптимальным выбором технологических параметров 3D-принтера. На внутренней поверхности имплантата были обнаружены участки с острыми краями, которые во время использования имплантата служили бы концентраторами внутренних напряжений, приводящих к разрушению имплантата. В структуре исследуемого имплантата были обнаружены поры двух типов, а именно газовые поры и технологические (непроплавы) поры. Наличие технологических пор существенно влияет на структурно-механические свойства имплантата и снижает качество изделия в целом. Кроме того, внутри технологических пор могут скапливаться агрессивные микроорганизмы, препятствующие быстрому вживлению и, как следствие, приводящие к отторжению имплантата. http://meso.ispms.ru/

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Получены образцы стали 316L в виде параллелепипедов размерами 110х12х12 мм с помощью лазерного принтера Farsoon (FS121M-E) в атмосфере аргона. Были использованы режимы изготовления для стали, рекомендованные производителем 3D принтера, толщина порошкового слоя составляла 30 мкм, расстояние между полосами сканирования 100 мкм. Образцы были выращены вертикально. С использованием программного пакета Solidworks 2023 построена СAD модель канюлированного винтового имплантата для 3D печати (прототипом модели послужил промышленный канюлированный костный винтовой имплантат из стали 316L, изготовитель - компания Остеомед, длина винта 70 мм, диаметр 7,4 мм). Для получения СЛС имплантатов был использован лазерный 3D принтер AdSol с атмосферой аргона и порошок стали 316L медицинского назначения. Образцы винтовых имплантатов различной длины (65 и 70 мм) были выращены вертикально. Используемая в принтере мощность лазера составила 125Вт, Анализ полученных СЛС канюлированных винтовых имплантатов показал зависимость качества поверхности и геометрической точности профиля резьбы от скорости печати. Наилучшее качество обнаружено в имплантате, полученном со скоростью печати 8 м/с. 2. С помощью метода конечных элементов было выполнена симуляция усталостных испытаний миниатюрного имплантата культи трубчатой кости сложной формы, длина имплантата составляла 45 мм. Выявлены и проанализированы критические напряженные участки, способствующие началу процесса разрушения в СЛС образцах и изделиях (костных винтах) из стали 316L при усталостном испытании при комнатной температуре. На примере анализа распределения внутренних остаточных напряжений при циклическом нагружении на изгиб при комнатной температуре в образце стали 316L и готовом ЭЛС изделии (имплантате культи трубчатой кости), полученном из порошка стали 316L, разработана методика оценки и прогнозирования усталостной долговечности металлических имплантатов сложной формы, в том числе и полученных аддитивными способами, перед их применением в хирургии. https://www.mdpi.com/1996-1944/16/23/7315 3. Проведены циклические испытания на двух сериях образцов: в первом случае в качестве сравнения с аустенитной сталью 316L, для оценки развития мартенситных превращений при циклических испытаниях, выбирали мартенсито-стареющую сталь 1.4540, а во втором случае - циклические испытания проводили на образцах, полученных разными способами аддитивного производства. Выполнена оценка стадийности процесса деформации и определены условия образования охрупчивающего материал мартенсита деформации в СЛС образцах из стали 316L и 1.4540 при усталостном нагружении при комнатной температуре с использованием структурных и магнитных магнитных методов исследования. Для исследования использовали серию образцов, полученных разными методами аддитивных технологий: СЛС (селективное лазерное сплавление), ПЛС (прямой лазерный синтез) образцы. А также, для сравнения, были использованы образцы-эталоны, полученных из прутка промышленной стали 316L. С помощью лазерной динамической спекл-интерферометрии время эксперимента на трещиностойкость обнаружен ступенчатый характер движения трещины в СЛС и ПЛС образцах из стали 316L, связанный со слоистой структурой образцов и свидетельствующий о стадийности процесса деформации в условиях циклического нагружения. Обнаружено, что при циклическом нагружении на консольный изгиб при комнатной температуре разрушение стального СЛС образца (1.4540) происходит после 80636 циклов деформации и сопровождается изменением частоты акустического сигнала. При проведении циклических испытаний при комнатной температуре обнаружен фазовый переход аустенит-мартенсит. Мартенсит деформации имеет типичную пластинчатую морфологию, хорошо различимую с помощью растровой и магнитно-силовой микроскопии. Магнитно-силовая микроскопия СЛС образца стали 1.4540 показала изменение магнитного состояния зоне магистральной трещины, свидетельствующее о присутствии хрупкой мартенситной области. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54786394&pff=1 4. Проведено исследование эффекта восходящей диффузии в условиях упругих напряжений (эффекта Горского) в СЛС образцах после циклических нагружений при комнатной температуре. Обнаружено, что при циклических испытаниях на трех-точечный изгиб при комнатной температуре изменения содержания легирующих элементов (Si, Mg) в зоне магистральной трещины в СЛС образцах из стабильной аустенитной стали 316L не происходит. В отличие от СЛС образцов мартенсито-стареющей стали 1.4540, в которых после циклических испытаний на консольный изгиб, выполненных при комнатной температуре, обнаружено изменение содержания Cu вблизи поверхности разрушения. Поскольку легирование медью этой стали отвечает за коррозионныю стойкость, можно считать, что полученный результат свидетельствует о снижении коррозионных свойств СЛС образца стали 1.4540 при циклических нагрузках. При структурном исследовании СЛС образца 1.4540 после циклического нагружения обнаружено транскристаллитный характер разрушения. Выполнен анализ характера зоны разрушения полученных СЛС образцов и изделий. Фрактографический анализ поверхности разрушения СЛС образца стали 1.4540 показал, что при циклической деформации происходит разрушение сколом, что является типичным для СЛС металлических материалов. В зоне разрушения обнаружены множественные трещины, как на поверхности образца, так и внутри. Обнаружена коалесценция крупных пор вблизи зоны разрушения, что свидетельствует о действии различных микропроцессов деформации в условиях циклического нагружения СЛС образцов. http://www.prost.misis.ru/program/prost2023.pdf