Analiza defectelor plăcilor medicale din aliaj de titan TC4ELI

Rezumat: S-a descoperit că o anumită placă medicală din aliaj de titan TC4ELI are defecte penetrante ale benzii strălucitoare în timpul inspecției cu mărire redusă. Tipurile și cauzele defectelor au fost analizate prin examinare metalografică, analiză cu microscopul electronic cu scanare, analiza spectrului energetic și testarea durității. Rezultate Arată că acest defect este un defect de segregare a elementelor interstițiale bogate în titan +, care este cauzat de dimensiunea neuniformă a particulelor din burete de titan și de distribuția neuniformă a amestecului de aliaj intermediar în timpul procesului de producție a lingourilor de aliaj de titan. Se recomanda reducerea sau eliminarea acestui defect prin controlul materiilor prime si a procesului de topire. defect.

Aliajul de titan TC４ELI a devenit un implant medical chirurgical datorită biocompatibilității sale bune, modulului elastic scăzut, densității scăzute, proprietăților anticorozive bune, non-toxicității, limită de curgere mare, durată lungă de viață la oboseală, plasticitate mare în cameră. temperatură și formare ușoară. Un material ideal pentru dispozitivele medicale [1-2]. Plăcile medicale din aliaj de titan TC4ELI sunt utilizate în principal în repararea craniului, grefarea osoasă etc., care au cerințe mai mari privind rezistența, durata de viață la oboseală, plasticitate etc. Conform GB/T 13810-2017«Implantarea chirurgicală procesarea titanului și a aliajelor de titan materiale de uz medical», dacă se găsesc segregare, incluziuni metalice sau nemetalice și alte defecte metalurgice vizibile vizual în structura cu mărire redusă a materialelor din aliaj de titan utilizate la produsele pentru implanturi, lotul de produse va fi apreciat a fi necalificat .Segregare este manifestarea compoziției micro-regiuni inegale a materialelor din aliaj de titan în structură. Placa medicală TC4ELI este un aliaj de titan cu două faze de tip +. Dacă compoziția sa micro-regiune este neuniformă, va provoca anomalii în macro și microstructură, ducând la anomalii. Există o diferență semnificativă de duritate între zona normală și zona normală, ceea ce va duce la o performanță generală neuniformă a materialului din aliaj de titan, reducând astfel rezistența materialului, durata de viață la oboseală și plasticitatea și, în cele din urmă, duce la defectarea timpurie a materialului [{{ 13}}].

În timpul observării cu mărire redusă a unei anumite plăci medicale din aliaj de titan TC4ELI, a fost găsită o zonă anormală în formă de bandă cu o lățime de aproximativ 5 mm. Când o parte din ea a fost interceptată și observată la o mărire redusă, s-a constatat că zona în formă de bandă era o bandă strălucitoare. Pentru a determina cu exactitate tipul de defect, este necesar să se identifice defectul. Autorul a examinat și analizat cauzele.

1 Testări fizice și chimice
1.1 Examinarea metalografică
Utilizați Observer. Microscopul metalografic ZEISS de tip AIM a fost utilizat pentru a efectua examinarea metalografică a zonei benzii luminoase și a zonei normale a plăcii de aliaj de titan TC4ELI. După cum se poate observa din Figura 2, zona de bandă luminoasă este o structură echiaxială monofazată, care prezintă caracteristici structurale asemănătoare segregării, în timp ce zona normală este în structura unui aliaj tipic de titan TC4ELI prelucrat în regiunea + bifazată, toate granițele inițiale ale granulelor sunt complet rupte, astfel încât se poate determina că zona luminoasă a benzii este un defect de segregare.

1.2 Analiza microscopiei electronice cu scanare
Microscopul electronic cu scanare cu emisie de câmp rece (SEM) JSMG6700 a fost utilizat pentru a analiza morfologia zonei benzii luminoase și a zonei normale a plăcii de aliaj de titan TC4ELI. După cum se poate vedea din Figura 3, structura echiaxială monofazată din zona benzii luminoase este mai clară, iar zona normală arată + Caracteristicile structurii prelucrate ale zonei bifazate sunt în concordanță cu rezultatele examinării metalografice și se determină în continuare că zona de bandă luminoasă este un defect de segregare.

1.3 Analiza spectrului energetic
Spectrometrul de energie (EDS) atașat la microscopul electronic cu scanare a fost utilizat pentru a efectua analiza micro-componentă pe zona benzii luminoase și zona normală a plăcii de aliaj de titan TC4ELI. Rezultatele analizei sunt prezentate în Tabelul 1. Se poate observa că conținutul de vanadiu în zona normală este puțin mai mare decât valoarea standard. În plus, conținutul altor elemente este în conformitate cu cerințele GB/T 3620.1-2016 „Grade și compoziții chimice de titan și aliaje de titan”; conținutul de titan, aluminiu și vanadiu din zona benzii luminoase nu se încadrează în intervalul standard și există un conținut evident bogat în titan. , săracă în aluminiu și săracă în vanadiu, iar conținutul de element de oxigen este limita superioară a intervalului standard, se consideră că placa de aliaj de titan TC4ELI are defecte de segregare bogate în titan.

1.4 Test de duritate
Segregarea aliajelor de titan poate fi împărțită în segregare dură (duritatea părții de segregare este mai mare decât duritatea zonei normale, cunoscută și sub numele de segregare fragilă) și segregare moale (duritatea părții de segregare este mai mică decât duritatea de zona normală) în funcţie de diferenţa dintre duritatea părţii de segregare şi zona normală. Cunoscută și sub denumirea de segregare necasabilă). Testele de duritate Micro-Vickers au fost efectuate pe zona benzii luminoase și zona normală a plăcii de aliaj de titan TC4ELI. Rezultatele măsurate au fost 383HV și, respectiv, 327HV. Se poate observa că duritatea zonei benzii luminoase este semnificativ mai mare decât cea a zonei normale. Tipul de segregare în zona de bandă luminoasă este segregarea fragilă[11].
2 Analiză și discuție
Zona strălucitoare a benzii a foii de aliaj de titan TC4ELI este un defect de segregare. Acest defect este cauzat de alierea incompletă a particulelor de aliaj intermediar. Este o segregare bogată în titan, dar nu este o segregare obișnuită bogată în titan, deoarece duritatea zonei de segregare bogată în titan ar trebui să fie mai mică decât zona normală [12], iar duritatea zonei cu defect de segregare ( zona de bandă luminoasă) a foii de aliaj de titan TC4ELI este mai mare decât cea a zonei normale, ceea ce este în concordanță cu caracteristicile de segregare a elementelor interstițiale. Elementele interstițiale se referă în mod specific la oxigen, carbon și azot. elemente. Conținutul ridicat de oxigen din zona defectului de segregare verifică acest rezultat. Îmbogățirea elementelor interstițiale va crește temperatura de transformare a fazei beta a aliajelor de titan, va crește duritatea fazei alfa și va face materialul fragil. În rezumat, TC4ELI titan Tipul de defecte de segregare în foile de aliaj este bogat în titan + segregarea elementelor interstițiale.
Cauza acestui defect de segregare este legată în principal de procesul de topire a aliajului de titan. Defectul de segregare s-a format deja la producerea lingourilor. În prezent, întreprinderile de producție de aliaje de titan din China adoptă, în general, metoda de topire a cuptorului cu arc electric consumabil cu trei treceri de topire în vid, care este operată în timpul procesului de pregătire a electrodului. Utilizarea necorespunzătoare poate duce cu ușurință la contaminarea cu metale sau formarea de oxizi și nitruri refractare. Selecția necorespunzătoare a curentului și tensiunii va face ca zona de topire să nu reușească să atingă echilibrul termic în timpul procesului de topire și, de asemenea, va provoca modificări ale adâncimii bazinului de topire, ducând la dimensiunea neuniformă a particulelor de burete de titan. Distribuția neuniformă a amestecului de aliaj principal va determina îmbogățirea și epuizarea elementelor de aliaj în zonele locale ale materialului, determinând devierea punctului de transformare a fazei din această zonă. În timpul procesului ulterior de prelucrare la cald, acesta va evolua treptat într-o structură anormală și va forma defecte de segregare. [12G18].
3 Concluzii și sugestii
Plăcile din aliaj de titan TC4ELI au defecte de segregare a elementelor interstițiale bogate în titan. Acest defect este cauzat de dimensiunea neuniformă a particulelor de burete de titan și de distribuția neuniformă a amestecului de aliaj intermediar în timpul procesului de producție a lingourilor de aliaj de titan.
Se recomandă reducerea sau eliminarea unor astfel de defecte prin întărirea controlului materiilor prime și amestecurilor, precum și prin selectarea tensiunii și a curentului în timpul proceselor de pregătire și topire a electrozilor.
referinte:
[1] Yin Dongfang, Huang Yifei. Cercetări privind biocompatibilitatea aliajelor medicale de titan[J]. Journal of Medical Research, 2008, 37(10):96G97.
[2] Li Jun, Wei Jianhua, Zhang Yumei, etc. Evaluarea biocompatibilității noilor aliaje medicale de titan[J]. Journal of Practical Stomatology, 2010, 26(5): 636G640.
[3] Wang Weimin, Lin Shaohua, Cao Jimin, etc. Efectul tehnologiei de prelucrare termică asupra microstructurii tijelor din aliaj medical TC4[J]. Titanium Industry Progress, 2012, 29 (3): 14G18.
[4] Wang Weimin, Lin Shaohua, Li Lei, etc. Compoziția, structura și proprietățile mecanice ale tijelor din aliaj Ti6Al4V (ELI) pentru implanturi chirurgicale [J]. Chinese Journal of Neferrous Metals, 2010, 20(S1): 555G559.
[5] Yu Zhentao, Yu Sen, Zhang Minghua și colab. Starea actuală și progresul proiectării, dezvoltării și aplicării de noi materiale medicale din aliaj de titan pentru implanturi chirurgicale [J]. China Materials Progress, 2010, 29(12):35G51.
[6] Ma Xiqun, Yu Zhentao, Niu Jinlong și colab. Progresul cercetării privind structura și proprietățile noilor aliaje biomedicale de titan[J]. Biomedical Engineering and Clinic, 2013, 17(6):610G615.
[7] Bai Pengfei, Min Xiaohua, Tao Xiaojie, etc. Controlul microstructurii și performanța de contracție a unghiilor în formă de U a tijelor medicale din aliaj de titan TC4[J]. Teste fizice și chimice (volum de fizică), 2013, 49(2):117-118.
[8] Li Rong, Wei Dong, Xu Lu și colab. Analiza eșecului de fractură a plăcilor osoase din aliaj de titan TA3 pentru implantare chirurgicală [J]. Testări fizice și chimice (fizică), 2016, 52 (12): 897G899.
[9] Wei Fenrong, Fan Yajun, Wang Hai, etc. Cercetări privind proprietățile aliajului de titan TiG6AlG4VELI pentru sârmă superioară spinală[J]. Tehnologia de procesare termică, 2014, 43(4):98G 102.
[10] Li Hui, Qu Hennglei, Zhao Yongqing, etc. Cercetări privind microstructura și proprietățile mecanice ale foii de aliaj TiG6AlG4V ELI[J]. Titanium Industry Progress, 2005, 22(6):24G27.
[11] Zhang Li, Shen Liang, Li Ruiwen și colab. Testul microscopic de duritate Vickers a zonei de precipitare în fază bogată în titan a aliajului VG5CrG5Ti[J]. Testări fizice și chimice (volum de fizică), 2014, 50(9): 651G654.
[12] He Chunyan, Zhu Jianwen, Zhu Kangping. Analiza defectelor comune de segregare în - tije din aliaj de titan bifazic[J]. Testări fizice și chimice (fizică), 2013, 49(4): 247G250.
[13] Zhang Lijun, He Chunyan, Xue Xiangyi, etc. Exemplu de analiză a defectelor metalurgice ale aliajului de titan[J]. Testări fizice și chimice (volum de fizică), 2013, 49(12): 819G822, 826.
[14] Cai Jianming, Zhang Wangfeng, Li Zhenxi, etc. Caracteristicile și controlul dungilor luminoase și întunecate pe lamele din aliaj de titan TC11[J]. Ingineria materialelor, 2005, 33(1): 16G19.
[15] Liu Jun, Tang Guangping, Yang Guizhu. Analiza defectelor striate strălucitoare în barele din aliaj de titan TC4[J]. Teste fizice și chimice (fizică), 2011, 47(10): 646G 648.
[16] Wu Junfeng. Analiza cauzelor fisurii tijei din aliaj de titan TC11[J]. Teste fizice și chimice (volum de fizică), 2012, 48(5): 331-333.
[17] Zhu Mingde, Shen Yinuo. Analiza rupturii șuruburilor din aliaj de titan de înaltă rezistență [J]. Testări fizice și chimice (volum de fizică), 2008, 44(8): 446G450.
[18] Shi Xiaoli, Qi Fengjun, Mu Ying și colab. Analiza cauzelor ruperii firului de nichel-titan[J]. Testări fizice și chimice (volum de fizică), 2018, 54(11):829G832.