Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Платный доступ или доступ для подписчиков

Классификация природоподобных подходов к созданию металлических материалов с иерархической организацией структуры методом селективного лазерного плавления

Даниил Витальевич Воеводенко, Игорь Анатольевич Полозов, Анатолий Анатольевич Попович

Аннотация


Предложена и экспериментально обоснована классификация биомиметических подходов, включающая пять типов: архитектурный, ламеллярный, композиционный, градиентный и дисперсионный. Для каждого типа определён природный прототип, механизм реализации в селективном лазерном плавлении (СЛП) и достигаемые свойства. Показано, что архитектурная биомимикрия (ТПМП-структуры) обеспечивает снижение эффективного модуля упругости титановых имплантатов до 7 – 14 ГПа, что соответствует диапазону костной ткани; ламеллярная биомимикрия в сплавах на основе TiAl позволяет управлять морфологией ламелей и достичь предел прочности при сжатии до 1740 МПа; композиционная биомимикрия в системе Ti – 13Nb – 13Zr – 5Cu способствует получению достаточно высокого предела прочности (1450 МПа) и низкого модуля упругости (89 ГПа); градиентная биомимикрия на границе Ti – 6Al – 4V/Ti – Ta формирует бездефектные переходные зоны с плавным изменением свойств; дисперсионная биомимикрия с введением наночастиц Y2O3 в жаропрочный сплав ВЖ159 повышает предел текучести на 15 – 30 %.


Ключевые слова


селективное лазерное плавление (СЛП); биомимикрия; трижды периодические минимальные поверхности (ТПМП); титановые сплавы; биомедицинские сплавы; Ti – Ta; Ti – Ta – Cu; механические свойства

Полный текст:

PDF

Литература


Rho J.-Y., Kuhn-Spearing L., Zioupos P. Mechanical properties and the hierarchical structure of bone // Med. Eng. Phys. 1998. V. 20, Is. 2, P. 92 – 102.

Wegst U. G. K. et al. Bioinspired structural materials // Nat. Mater. 2015. V. 14, Is. 1. P. 23 – 36.

Bourell D., Kruth J. P., Leu M. et al. Materials for additive manufacturing // CIRP Ann. 2017. V. 66, Is. 2. P. 659 – 681.

Gibson I., Rosen D., Stucker B. Direct digital manufacturing // In: Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing, Springer. 2015. P. 375 – 397.

Chua C. K., Leong K. F. 3D Printing and additive manufacturing: Principles and applications (with companion media pack) of rapid prototyping. World Scientific Publishing Company, 2014. 548 p.

Ashby M. F., Cebon D. Materials selection in mechanical design // Journal de Physique IV. 1993. V. 3, Is. C7. Art. C7 – 1.

Martin J. H., Jahata B. D., Handlin J. M. et al. 3D printing of high-strength aluminium alloys // Nature. 2017. V. 549. Art. 7672. P. 365 – 369.

DebRoy T., Wei H. L., Zuback J. S. et al. Additive manufacturing of metallic components — process, structure and properties // Prog. Mater. Sci. 2018. V. 92. P. 112 – 224.

Meyers M. A., McKittrick J., Chen P.-Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections // Science. 2013. V. 339, Is. 6121. P. 773 – 779.

Barthelat F. Designing nacre-like materials for simultaneous stiffness, strength and toughness: Optimum materials, composition, microstructure and size // J. Mech. Phys. Solids. 2014. V. 73. P. 22 – 37.

Bandyopadhyay A., Heer B. Additive manufacturing of multi-material structures // Materials Science and Engineering R: Rep. 2018. V. 129. P. 1 – 16.

Gibson L. J., Ashby M. F., Harley B. A. Cellular Materials in Nature and Medicine, Cambridge University Press. Cambridge, 2010. 309 p.

Рудской А. И., Попович А. А. Природоподобные материалы и аддитивные технологии их производства. Санкт-Петербург: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2025. 446 c.

Barthelat F., Espinosa H. D. An experimental investigation of deformation and fracture of nacre — mother of pearl // Exp. Mech. 2007. V. 47, Is. 3. P. 311 – 324.

Wang R. Z., Suo Z., Evans A. G. et al. Deformation mechanisms in nacre // J. Mater. Res. 2001. V. 16, Is. 9. P. 2485 – 2493.

Gibson L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials // J.R. Soc. Interface. 2012. V. 9, Is. 76. P. 2749 – 2766.

Wilmers J., Waldron M., Bargmann S. Hierarchical microstructure of tooth enameloid in two lamniform shark species, Carcharias taurus and Isurus oxyrinchus // Nanomaterials. 2021. V. 11, Is. 4. Art. 969.

Raabe D., Sachs C., Romano P. The crustacean exoskeleton as an example of a structurally and mechanically graded biological nanocomposite material // Acta Mater. 2005. V. 53, Is. 15. P. 4281 – 4292.

Chen P.-Y., Lin A. Y.-M., McKittrick J., Meyers M. A. Structure and mechanical properties of crab exoskeletons // Acta Biomater. 2008. V. 4, Is. 3. P. 587 – 596.

Polozov I., Sokolova V., Gracheva A., Popovich A. Tailoring the microstructure of laser-additive-manufactured titanium aluminide alloys via in situ alloying and parameter variation // Metals (Basel). 2023. V. 13, Is. 8. Art. 1429.

Polozov I., Sufiiarov V., Starikov K., Popovich A. In situ synthesized Ti2AlNb-based composites produced by selective laser melting by addition of SiC-whiskers // Mater. Lett. 2021. V. 297. Art. 129956.

Hermawan H., Dubé D., Mantovani D. Developments in metallic biodegradable stents // Acta Biomater. 2010. V. 6, Is. 5. P. 1693 – 1697.

Carluccio D., Xu C., Venezuela J. et al. Additively manufactured iron-manganese for biodegradable porous load-bearing bone scaffold applications // Acta Biomater. 2020. V. 103. P. 346 – 360.

Beisekenov N., Sadenova M., Azamatov B., Syrnev B. Analysis of biomechanical characteristics of bone tissues using a bayesian neural network: A narrative review // J. Funct. Biomater. 2025. V. 16, Is. 5. Art. 168.

Zhang E. et al. A new antibacterial titanium–copper sintered alloy: preparation and antibacterial property // Mater. Sci. Eng. C. 2013. V. 33, Is. 7. P. 4280 – 4287.

Mente P. L., Lewis J. L. Elastic modulus of calcified cartilage is an order of magnitude less than that of subchondral bone // J. Orthop. Res. 1994. V. 12, Is. 5. P. 637 – 647.

Rossetti L., Kuntz L. A., Kunold E. et al. The microstructure and micromechanics of the tendon–bone insertion // Nat. Mater. 2017. V. 16, Is. 6. P. 664 – 670.

Bandyopadhyay A., Mitra I., Bose S. 3D printing for bone regeneration // Curr. Osteoporos. Rep. 2020. V. 18, Is. 5. P. 505 – 514.

White S. N., Paine M. L., Luo W. et al. The dentino-enamel junction is a broad transitional zone uniting dissimilar bioceramic composites // J. Am. Ceram. Soc. 2000. V. 83, Is. 1. P. 238 – 240.

Ray A. K., Mondal S., Das S. K., Ramachandrarao P. Bamboo — A functionally graded composite-correlation between microstructure and mechanical strength // J. Mater. Sci. 2005. V. 40, Is. 19. P. 5249 – 5253.

Sufiiarov V. S., Orlov A. V., Borisov E. V. et al. Computer modelling of uniaxial tension of functionally gradient material produced by additive manufacturing // Tech. Phys. 2021. V. 66, Is. 1. P. 23 – 27.

Bobbio L. D., Otis R. A., Borgonia J. P. et al. Additive manufacturing of a functionally graded material from Ti – 6Al – 4V to Invar: Experimental characterization and thermodynamic calculations // Acta Mater. 2017. V. 127. P. 133 – 142.

Weiner S., Wagner H. D. The material bone: structure-mechanical function relations // Annu. Rev. Mater. Sci. 1998. V. 28, Is. 1. P. 271 – 298.

He L. H., Swain M. V. Enamel — A “metallic-like” deformable biocomposite // J. Dent. 2007. V. 35, Is. 5. P. 431 – 437.

Barthelat F., Tang H., Zavattieri P. D. et al. On the mechanics of mother-of-pearl: a key feature in the material hierarchical structure // J. Mech. Phys. Solids. 2007. V. 55, Is. 2. P. 306 – 337.

Losic D., Mitchell J. G., Voelcker N. H. Diatomaceous lessons in nanotechnology and advanced materials // Adv. Mater. 2009. V. 21, Is. 29. P. 2947 – 2958.

Polozov I., Zolotarev A., Barabash A. et al. Effects of titanium diboride nanoparticles on the microstructure and mechanical properties of VZh159 nickel-based superalloy fabricated using selective laser melting // MSAM. 2025. V. 4, Is. 4. Art. 25220043.

Хафизова Э. Д., Исламгалиев Р. К., Фахретдинова Э. И. и др. Биоразлагаемые металлические материалы для медицины // Materials. Technologies. Design. 2021. Т. 3, № 4(6). С. 54 – 63.

Ruining G., Xiong Y. Z., Zhang H. et al. Fabrication and characterization of radially graded porous titanium/tantalum via selective laser melting // Rare Metal Mat. Eng. V. 50, Is. 1. P. 249 – 254.

Chen C. R., Ma J., Liu Y. M. et al. Compressive behavior and property prediction of gradient cellular structures fabricated by selective laser melting // Mater. Today Commun. 2023. V. 35. Art. 105853.

Balla V. K., Bodhak S., Bose S., Bandyopadhyay A. Porous tantalum structures for bone implants: fabrication, mechanical and in vitro biological properties // Acta Biomater. 2010. V. 6, Is. 8. P. 3349 – 3359.

Han C. Wang Q., Song B. et al. Microstructure and property evolutions of titanium/nano-hydroxyapatite composites in-situ prepared by selective laser melting // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2017. V. 71. P. 85 – 94.

Sheremetyev V., Petrzhik M., Zhukova Y. et al. Structural, physical, chemical, and biological surface characterization of thermomechanically treated Ti – Nb-based alloys for bone implants // J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 2020. V. 108, Is. 3. P. 647 – 662.

Zhang T., Ou P., Ruan J., Yang H. Nb – Ti – Zr alloys for orthopedic implants // J. Biomater. Appl. 2021. V. 35, Is. 10. P. 1284 – 1293.

Frutos E., Karlik M., Polcar T. The role of  orthorhombic phase content on the tenacity and fracture toughness behavior of Ti – 22Nb – 10Zr coating used in the design of long-term medical implants // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 464. P. 328 – 336.

Fudge D. S., Szewciw L. J., Schwalb A. N. Morphology and development of blue whale baleen: an annotated translation of Tycho Tullberg’s classic 1883 paper Aquat. Mamm. 2009. V. 35, Is. 2. Art. 226.

Szewciw L. J., de Kerckhove D. G., Grime G. W., Fudgeu D. S. Calcification provides mechanical reinforcement to whale baleen -keratin // Proc. R. Soc. B: Biol. 2010. V. 277, Is. 1694. P. 2597 – 2605.




DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2026.8.53-61

© Издательский дом «Фолиум», 1998–2026