Vývoj SPD technologií pro výrobu ultra až nano - jemnozrnných materiálů

Ing. Jan PALÁN

Doctoral thesis

Development of SPD technologies for the production of ultra-fine to nano-grained materials

Abstract:

Disertační práce se zabývá vývojem SPD procesu umožňující kontinuální výrobu vysoko pevných titanových drátů s ultra až nano jemnozrnnou strukturou vhodných pro výrobu zubních implantátů. Vyvinutý proces se skládá z technologií Conform SPD a z rotačního kování za studena. Výsledná pevnost materiálu Ti Grade 2 byla po navrženém zpracování 1050 MPa. V případě Ti Grade 4 byla pevnost 1250 MPa. Uvedené meze pevnosti byly docíleny po jednom průchodu na Conform SPD zařízení a po rotačním kování po dosažené plošné redukci 89 %. Struktura polotovarů po zpracování byla tvořena zrny s velikostí pod 500 nm. Dosažená textura byla silně orientovaná, kdy bazální roviny 0001 byly orientovány paralelně s axiální rovinou polotovaru. Z experimentálních polotovarů byly vyrobeny zubní implantáty. Tyto implantáty byly podrobeny klinickým zkouškám osteointegrace na miniprasetech. Klinické zkoušky potvrdily zvýšenou schopnost spojení nového implantátu s tkání o 9 %. Disertační práce popisuje procesní kroky a jejich vazbu na strukturní a mechanické vlastnosti. Vyvinutý technologický řetězec umožňuje implementaci vysokopevných titanových drátů pro výrobu dentálních implantátů.

Abstract:

The dissertation thesis deals with the development of the SPD process enabling the continuous production of high-strength titanium wires with an ultrafine to nano grained structure. Such wires are intended for the production of dental implants. The developed process consists of Conform SPD technology and cold rotary swaging. The resulting ultimate strength was 1050 MPa for Ti Grade 2 after processing. In the case of Ti grade 4, the strength was 1250 MPa. The stated strength limits were achieved after one Conform SPD pass and after rotary swaging with achieved area reduction of 89%. Formed structure consist of grains with size below 500 nm. The achieved texture was strongly oriented as the basal planes 0001 were oriented parallel to the axial plane of the wire. At the last stage, dental implants were produced out of high strength wire in order to evaluate manufacturing feasibility and evaluate biocompatibility (Osteointegration). Biocompatibility clinical testing on minipigs confirmed increased connection between dental implant and tissue by 9 % in case of Ti Grade 4. In conclusion, the dissertation thesis describes the SPD process steps and their relation to structural and mechanical properties. As a result, the developed technological chain enables the implementation of high-strength titanium wires for production of dental implants.

Keywords

Conform, ECAP, nano, titan, implantát

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 10. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 23. 2. 2021
• Supervisor: Doc. Ing. Jan Džugan, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Engineering of Special Technologies and Materials