Analýza vad lékařské desky z titanové slitiny TC4ELI
Abstrakt: U určité lékařské desky z titanové slitiny TC4ELI byly při inspekci při nízkém zvětšení zjištěny penetrující defekty světlého pásu. Typy a příčiny defektů byly analyzovány pomocí metalografického zkoumání, analýzy rastrovacím elektronovým mikroskopem, analýzy energetického spektra a zkoušky tvrdosti. Výsledky Ukazuje, že tento defekt je defekt segregace bohatý na titan + intersticiální prvek, který je způsoben nerovnoměrnou velikostí částic titanové houby a nerovnoměrnou distribucí směsi mezislitiny během procesu výroby ingotů ze slitiny titanu. Doporučuje se snížit nebo odstranit tento nedostatek řízením surovin a procesu tavení. přeběhnout.
Titanová slitina TC４ELI se stala lékařským chirurgickým implantátem díky své dobré biokompatibilitě, nízkému modulu pružnosti, nízké hustotě, dobrým antikorozním vlastnostem, netoxicitě, vysoké meze kluzu, dlouhé únavové životnosti, velké plasticitě v místnosti teplotu a snadné tvarování. Ideální materiál pro zdravotnické prostředky [1-2]. Lékařské destičky z titanové slitiny TC4ELI se používají hlavně při opravách lebek, kostních štěpech atd., které mají vyšší požadavky na pevnost, únavovou životnost, plasticitu atd. Podle GB/T 13810-2017«Chirurgická implantace Zpracování titanu a slitin titanu materiály pro lékařské použití», pokud jsou ve struktuře materiálů z titanové slitiny používaných v implantátech s malým zvětšením nalezena segregace, kovové nebo nekovové vměstky a jiné vizuálně viditelné metalurgické defekty, bude šarže produktů posouzena jako nekvalifikovaná .Segregace je projevem nerovnoměrného složení mikroregionů materiálů slitiny titanu ve struktuře. Dlaha Medical TC4ELI je dvoufázová titanová slitina typu +. Pokud je složení mikroregionu nerovnoměrné, způsobí abnormality v makro a mikrostruktuře, což vede k abnormalitám. Existuje významný rozdíl v tvrdosti mezi normální oblastí a normální oblastí, což povede k nerovnoměrnému celkovému výkonu materiálu slitiny titanu, čímž se sníží pevnost materiálu, únavová životnost a plasticita a nakonec to povede k časnému selhání materiálu [{{ 13}}].
Při pozorování určité lékařské desky z titanové slitiny TC4ELI při nízkém zvětšení byla nalezena abnormální oblast ve tvaru pásku o šířce asi 5 mm. Když byla jeho část zachycena a pozorována při malém zvětšení, bylo zjištěno, že oblast ve tvaru pásu byla jasným pásem. Aby bylo možné přesně určit typ závady, je nutné závadu identifikovat. Autor zkoumal a analyzoval příčiny.
1 Fyzikální a chemické zkoušky
1.1 Metalografické zkoumání
Použijte Observer. Metalografický mikroskop ZEISS typu AIM byl použit k metalografickému zkoumání oblasti světlého pásu a normální oblasti desky z titanové slitiny TC4ELI. Jak je vidět z obrázku 2, oblast světlého pásu je jednofázová rovnoosá struktura vykazující strukturní charakteristiky podobné segregaci, zatímco normální oblast je Ve struktuře typické titanové slitiny TC4ELI zpracované v + dvoufázové oblasti, všechny původní hranice zrn jsou zcela porušeny, takže lze určit, že oblast světlého pásu je segregační defekt.
1.2 Analýza rastrovací elektronovou mikroskopií
Studený emisní rastrovací elektronový mikroskop (SEM) JSMG6700 byl použit k analýze morfologie oblasti světlého pásu a normální plochy desky z titanové slitiny TC4ELI. Jak je vidět z obrázku 3, jednofázová rovnoosá struktura v oblasti světlého pásu je jasnější a normální oblast ukazuje + Charakteristiky zpracované struktury dvoufázové oblasti jsou v souladu s výsledky metalografického zkoumání a dále se určí, že oblast světlého pásu je segregační defekt.
1.3 Analýza energetického spektra
Energetický spektrometr (EDS) připojený k rastrovacímu elektronovému mikroskopu byl použit k provedení analýzy mikrosložek v oblasti světlého pásu a normální oblasti desky z titanové slitiny TC4ELI. Výsledky analýzy jsou uvedeny v tabulce 1. Je vidět, že obsah vanadu v normální oblasti je mírně vyšší než standardní hodnota. Kromě toho je obsah ostatních prvků v souladu s požadavky GB/T 3620.1-2016 "Titan a titanové slitiny a chemické složení"; obsah titanu, hliníku a vanadu v oblasti světlého pásu není ve standardním rozmezí a je zde zřejmý obsah bohatý na titan. , chudý na hliník a chudý na vanad a obsah kyslíkového prvku je horní hranicí standardního rozsahu, má se za to, že deska z titanové slitiny TC4ELI má segregační vady bohaté na titan.
1.4 Zkouška tvrdosti
Segregaci titanových slitin lze rozdělit na tvrdou segregaci (tvrdost segregační části je vyšší než tvrdost normální zóny, známá také jako křehká segregace) a měkkou segregaci (tvrdost segregační části je nižší než tvrdost normální zóna) podle rozdílu mezi tvrdostí segregační části a normální zóny. Také známá jako nekřehká segregace). Testy tvrdosti Micro-Vickers byly provedeny na oblasti světlého pásu a normální oblasti desky z titanové slitiny TC4ELI. Naměřené výsledky byly 383HV a 327HV. Je vidět, že tvrdost oblasti světlého pásu je výrazně vyšší než tvrdost normální oblasti. Typ segregace v oblasti světlého pásu je křehká segregace[11].
2 Analýza a diskuse
Oblast světlého pásu plechu z titanové slitiny TC4ELI je segregační defekt. Tato vada je způsobena neúplným legováním částic mezislitiny. Jedná se o segregaci bohatou na titan, ale nejedná se o běžnou segregaci bohatou na titan, protože tvrdost oblasti segregace bohaté na titan by měla být nižší než normální oblast [12] a tvrdost oblasti segregačního defektu ( plocha světlého pásu) plechu z titanové slitiny TC4ELI je vyšší než u normální plochy, což je v souladu s charakteristikami segregace intersticiálních prvků. Intersticiální prvky konkrétně odkazují na kyslík, uhlík a dusík. Prvky. Vysoký obsah kyslíku v oblasti segregačního defektu potvrzuje tento výsledek. Obohacení intersticiálních prvků zvýší teplotu beta fázové transformace titanových slitin, zvýší tvrdost alfa fáze a učiní materiál křehkým. Stručně řečeno, titan TC4ELI Typ segregačních defektů u slitinových plechů je bohatý na titan + segregace intersticiálních prvků.
Příčina této segregační vady souvisí především s procesem tavení slitiny titanu. Segregační vada se vytvořila již při výrobě ingotů. V současné době čínské podniky vyrábějící titanové slitiny obecně přijímají tříprůchodovou metodu tavení spotřebního materiálu v elektrické obloukové peci se třemi průchody, která se provozuje během procesu přípravy elektrody. Nesprávné použití může snadno vést ke kontaminaci kovů nebo tvorbě žáruvzdorných oxidů a nitridů. Nesprávná volba proudu a napětí způsobí, že tavicí zóna během procesu tavení nedosáhne tepelné rovnováhy a také způsobí změny v hloubce roztavené lázně, což má za následek nerovnoměrnou velikost částic titanové houby. Nerovnoměrná distribuce směsi předslitiny způsobí obohacení a vyčerpání slitinových prvků v místních oblastech materiálu, což způsobí odchylku bodu fázové transformace v této oblasti. Během následného procesu zpracování za tepla se postupně vyvine do abnormální struktury a vytvoří segregační defekty. [12G18].
3 Závěry a návrhy
Plechy z titanové slitiny TC4ELI mají defekty segregace intersticiálních prvků bohaté na titan. Tato vada je způsobena nestejnou velikostí částic titanové houby a nerovnoměrným rozložením mezislitinové směsi během procesu výroby ingotů z titanové slitiny.
Doporučuje se omezit nebo odstranit takové vady posílením kontroly surovin a směsí, jakož i volbou napětí a proudu během přípravy elektrody a tavicích procesů.
Reference:
[1] Yin Dongfang, Huang Yifei. Výzkum biokompatibility slitin lékařského titanu[J]. Journal of Medical Research, 2008, 37(10):96G97.
[2] Li Jun, Wei Jianhua, Zhang Yumei atd. Hodnocení biokompatibility nových slitin lékařského titanu[J]. Journal of Practical Stomatology, 2010, 26(5): 636G640.
[3] Wang Weimin, Lin Shaohua, Cao Jimin atd. Vliv technologie tepelného zpracování na mikrostrukturu tyčí ze slitiny lékařské TC4[J]. Titanium Industry Progress, 2012, 29 (3): 14G18.
[4] Wang Weimin, Lin Shaohua, Li Lei aj. Složení, struktura a mechanické vlastnosti tyčí ze slitiny Ti6Al4V (ELI) pro chirurgické implantáty [J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): 555G559.
[5] Yu Zhentao, Yu Sen, Zhang Minghua a kol. Současný stav a postup návrhu, vývoje a aplikace nových medicínských materiálů ze slitin titanu pro chirurgické implantáty [J]. China Materials Progress, 2010, 29(12):35G51.
[6] Ma Xiqun, Yu Zhentao, Niu Jinlong a kol. Pokrok ve výzkumu struktury a vlastností nových biomedicínských slitin titanu[J]. Biomedicínské inženýrství a klinika, 2013, 17(6):610G615.
[7] Bai Pengfei, Min Xiaohua, Tao Xiaojie atd. Kontrola mikrostruktury a výkon smršťování nehtů ve tvaru U lékařských tyčí z titanové slitiny TC4[J]. Fyzikální a chemické testování (svazek Physics), 2013, 49(2):117-118.
[8] Li Rong, Wei Dong, Xu Lu a kol. Analýza frakturního selhání kostních destiček z titanové slitiny TA3 pro chirurgickou implantaci [J]. Fyzikální a chemické testování (fyzika), 2016, 52 (12): 897G899.
[9] Wei Fenrong, Fan Yajun, Wang Hai atd. Výzkum vlastností titanové slitiny TiG6AlG4VELI pro drát páteře[J]. Technologie tepelného zpracování, 2014, 43(4):98G 102.
[10] Li Hui, Qu Hennglei, Zhao Yongqing atd. Výzkum mikrostruktury a mechanických vlastností plechu slitiny TiG6AlG4V ELI[J]. Titanium Industry Progress, 2005, 22(6):24G27.
[11] Zhang Li, Shen Liang, Li Ruiwen a kol. Mikroskopický Vickersův test tvrdosti zóny srážení fáze bohaté na titan slitiny VG5CrG5Ti[J]. Fyzikální a chemické testování (Fyzikální svazek), 2014, 50(9): 651G654.
[12] He Chunyan, Zhu Jianwen, Zhu Kangping. Analýza běžných segregačních defektů u tyčí z - dvoufázové slitiny titanu[J]. Fyzikální a chemické testování (fyzika), 2013, 49(4): 247G250.
[13] Zhang Lijun, He Chunyan, Xue Xiangyi atd. Příklad analýzy metalurgických defektů slitiny titanu[J]. Fyzikální a chemické testování (Fyzikální svazek), 2013, 49(12): 819G822, 826.
[14] Cai Jianming, Zhang Wangfeng, Li Zhenxi atd. Charakteristika a kontrola světlých a tmavých pruhů na čepelích z titanové slitiny TC11[J]. Materiálové inženýrství, 2005, 33(1): 16G19.
[15] Liu Jun, Tang Guangping, Yang Guizhu. Analýza defektů světlých pruhů v tyčích z titanové slitiny TC4[J]. Fyzikální a chemické testování (fyzika), 2011, 47(10): 646G 648.
[16] Wu Junfeng. Analýza příčin praskání tyče z titanové slitiny TC11[J]. Fyzikální a chemické testování (Physics Volume), 2012, 48(5): 331-333.
[17] Zhu Mingde, Shen Yinuo. Analýza lomového porušení šroubů z vysokopevnostní titanové slitiny [J]. Fyzikální a chemické testování (Fyzikální svazek), 2008, 44(8): 446G450.
[18] Shi Xiaoli, Qi Fengjun, Mu Ying a kol. Analýza příčin přetržení nikl-titanového drátu[J]. Fyzikální a chemické testování (svazek fyziky), 2018, 54(11):829G832.
