Analisi dei difetti della placca medica in lega di titanio TC4ELI
Riassunto: Durante l'ispezione a basso ingrandimento, è stato riscontrato che una determinata piastra medica in lega di titanio TC4ELI presentava difetti penetranti della banda luminosa. Le tipologie e le cause dei difetti sono state analizzate mediante esame metallografico, analisi al microscopio elettronico a scansione, analisi dello spettro energetico e prove di durezza. Risultati Mostra che questo difetto è un difetto di segregazione ricco di titanio + elemento interstiziale, causato dalla dimensione irregolare delle particelle della spugna di titanio e dalla distribuzione irregolare della miscela di lega intermedia durante il processo di produzione dei lingotti di lega di titanio. Si consiglia di ridurre o eliminare questo difetto controllando le materie prime e il processo di fusione. difetto.
La lega di titanio TC４ELI è diventata un impianto medico chirurgico grazie alla sua buona biocompatibilità, basso modulo elastico, bassa densità, buone proprietà anticorrosione, non tossicità, elevato limite di snervamento, lunga durata a fatica, grande plasticità a temperatura ambiente temperatura e facile formazione. Un materiale ideale per i dispositivi medici [1-2]. Le piastre mediche in lega di titanio TC4ELI sono utilizzate principalmente nella riparazione del cranio, innesti ossei, ecc., che hanno requisiti più elevati in termini di resistenza, resistenza alla fatica, plasticità, ecc. Secondo GB/T 13810-2017«Impianto chirurgico Titanio e lavorazione delle leghe di titanio materiali per uso medico», se si riscontrano segregazioni, inclusioni metalliche o non metalliche e altri difetti metallurgici visivamente visibili nella struttura a basso ingrandimento dei materiali in lega di titanio utilizzati nei prodotti implantari, il lotto di prodotti sarà giudicato non qualificato. Segregazione è la manifestazione di una composizione irregolare delle microregioni dei materiali in lega di titanio nella struttura. La piastra medica TC4ELI è una lega di titanio bifase di tipo +. Se la composizione della sua microregione non è uniforme, causerà anomalie nella macro e nella microstruttura, portando ad anomalie. Esiste una differenza significativa nella durezza tra l'area normale e l'area normale, che porterà a prestazioni complessive non uniformi del materiale in lega di titanio, riducendo così la resistenza del materiale, la durata a fatica e la plasticità e, infine, portando a un cedimento precoce del materiale [{{ 13}}].
Durante l'osservazione a basso ingrandimento di una determinata placca medica in lega di titanio TC4ELI, è stata rilevata un'area anomala a forma di banda con una larghezza di circa 5 mm. Quando una parte di essa fu intercettata e osservata a basso ingrandimento, si scoprì che l'area a forma di banda era una banda luminosa. Per determinare con precisione il tipo di difetto, è necessario identificare il difetto. L'autore ha esaminato e analizzato le cause.
1 Test fisici e chimici
1.1 Esame metallografico
Usa Osservatore. Il microscopio metallografico ZEISS di tipo AIM è stato utilizzato per condurre l'esame metallografico dell'area della banda luminosa e dell'area normale della piastra in lega di titanio TC4ELI. Come si può vedere dalla Figura 2, l'area della banda luminosa è una struttura equiassica monofase, che mostra caratteristiche strutturali simili alla segregazione, mentre l'area normale è Nella struttura di una tipica lega di titanio TC4ELI lavorata nella regione a due fasi +, tutti i confini originali del grano sono completamente rotti, quindi si può determinare che l'area della banda chiara è un difetto di segregazione.
1.2 Analisi al microscopio elettronico a scansione
Il microscopio elettronico a scansione (SEM) a emissione di campo freddo JSMG6700 è stato utilizzato per analizzare la morfologia dell'area della banda luminosa e dell'area normale della piastra in lega di titanio TC4ELI. Come si può vedere dalla Figura 3, la struttura equiassica monofase nell'area della banda luminosa è più chiara e l'area normale mostra + Le caratteristiche della struttura lavorata dell'area a due fasi sono coerenti con i risultati dell'esame metallografico e si determina inoltre che l'area della banda luminosa è un difetto di segregazione.
1.3 Analisi dello spettro energetico
Lo spettrometro di energia (EDS) collegato al microscopio elettronico a scansione è stato utilizzato per eseguire l'analisi dei microcomponenti sull'area della banda luminosa e sull'area normale della piastra in lega di titanio TC4ELI. I risultati dell'analisi sono mostrati nella Tabella 1. Si può vedere che il contenuto di vanadio nell'area normale è leggermente superiore al valore standard. Inoltre, il contenuto di altri elementi è conforme ai requisiti di GB/T 3620.1-2016 "Titanio e leghe di titanio e composizioni chimiche"; i contenuti di titanio, alluminio e vanadio nell'area della banda luminosa non rientrano nell'intervallo standard ed è evidente un contenuto ricco di titanio. , povero di alluminio e povero di vanadio e il contenuto di elemento di ossigeno è il limite superiore dell'intervallo standard, si ritiene che la piastra in lega di titanio TC4ELI presenti difetti di segregazione ricchi di titanio.
1.4 Prova di durezza
La segregazione delle leghe di titanio può essere suddivisa in segregazione dura (la durezza della parte di segregazione è superiore alla durezza della zona normale, detta anche segregazione fragile) e segregazione morbida (la durezza della parte di segregazione è inferiore alla durezza di la zona normale) in base alla differenza tra la durezza della parte di segregazione e la zona normale. Conosciuta anche come segregazione non fragile). Sono stati condotti test di durezza Micro-Vickers sull'area della banda luminosa e sull'area normale della piastra in lega di titanio TC4ELI. I risultati misurati erano rispettivamente 383HV e 327HV. Si può notare che la durezza dell'area della banda luminosa è significativamente più elevata di quella dell'area normale. Il tipo di segregazione nell'area della banda chiara è la segregazione fragile[11].
2 Analisi e discussione
L'area della banda lucida del foglio di lega di titanio TC4ELI è un difetto di segregazione. Questo difetto è causato dalla lega incompleta delle particelle della lega intermedia. È una segregazione ricca di titanio, ma non è una comune segregazione ricca di titanio perché la durezza dell'area di segregazione ricca di titanio dovrebbe essere inferiore all'area normale [12] e la durezza dell'area del difetto di segregazione ( area della banda luminosa) del foglio di lega di titanio TC4ELI è superiore a quella dell'area normale, il che è coerente con le caratteristiche di segregazione degli elementi interstiziali. Gli elementi interstiziali si riferiscono specificamente a ossigeno, carbonio e azoto. elementi. L'alto contenuto di ossigeno nella zona del difetto di segregazione verifica questo risultato. L'arricchimento di elementi interstiziali aumenterà la temperatura di trasformazione della fase beta delle leghe di titanio, aumenterà la durezza della fase alfa e renderà il materiale fragile. In sintesi, titanio TC4ELI Il tipo di difetti di segregazione nei fogli di lega è ricco di titanio + segregazione di elementi interstiziali.
La causa di questo difetto di segregazione è legata principalmente al processo di fusione della lega di titanio. Il difetto di segregazione si è già formato nella produzione dei lingotti. Allo stato attuale, le imprese cinesi di produzione di leghe di titanio adottano generalmente il metodo di fusione del forno elettrico ad arco consumabile con fusione sotto vuoto a tre passaggi, che viene utilizzato durante il processo di preparazione dell'elettrodo. Un uso improprio può facilmente portare alla contaminazione di metalli o alla formazione di ossidi e nitruri refrattari. Una selezione impropria di corrente e tensione farà sì che la zona di fusione non riesca a raggiungere l'equilibrio termico durante il processo di fusione e causerà anche cambiamenti nella profondità del bagno fuso, con conseguente dimensione irregolare delle particelle della spugna di titanio. La distribuzione non uniforme della miscela della lega madre causerà l'arricchimento e l'esaurimento degli elementi di lega in aree locali del materiale, causando una deviazione del punto di trasformazione di fase in quest'area. Durante il successivo processo di lavorazione a caldo, evolverà gradualmente in una struttura anomala e formerà difetti di segregazione. [12G18].
3 Conclusioni e suggerimenti
I fogli in lega di titanio TC4ELI presentano difetti di segregazione degli elementi ricchi di titanio + interstiziali. Questo difetto è causato dalla dimensione irregolare delle particelle della spugna di titanio e dalla distribuzione non uniforme della miscela di lega intermedia durante il processo di produzione dei lingotti di lega di titanio.
Si raccomanda di ridurre o eliminare tali difetti rafforzando il controllo delle materie prime e delle miscele, nonché la selezione della tensione e della corrente durante i processi di preparazione degli elettrodi e di fusione.
Riferimenti:
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