Defektanalyse av medisinsk TC4ELI titanlegeringsplate

Sammendrag: En viss medisinsk TC4ELI titanlegeringsplate ble funnet å ha penetrerende lyse bånddefekter under inspeksjon med lav forstørrelse. Typer og årsaker til defekter ble analysert gjennom metallografisk undersøkelse, skanneelektronmikroskopanalyse, energispektrumanalyse og hardhetstesting. Resultater Den viser at denne defekten er en titanrik + interstitiell element segregeringsdefekt, som er forårsaket av den ujevne partikkelstørrelsen til titansvamp og den ujevn fordeling av den mellomliggende legeringsblandingen under produksjonsprosessen av titanlegeringsblokker. Det anbefales å redusere eller eliminere denne defekten ved å kontrollere råvarene og smelteprosessen. defekt.

TC４ELI titanlegering har blitt et medisinsk kirurgisk implantat på grunn av dets gode biokompatibilitet, lave elastisitetsmodul, lave tetthet, gode anti-korrosjonsegenskaper, ikke-toksisitet, høy flytestyrke, lange utmattelseslevetid, store plastisitet i rommet temperatur og enkel forming. Et ideelt materiale for medisinsk utstyr [1-2]. Medisinske TC4ELI titanlegeringsplater brukes hovedsakelig til hodeskallereparasjon, beintransplantasjon osv., som har høyere krav til styrke, utmattelseslevetid, plastisitet osv. I følge GB/T 13810-2017«Surgical Implantation Titanium og titanlegeringsbehandling materialer for medisinsk bruk», dersom segregering, metalliske eller ikke-metalliske inneslutninger og andre visuelt synlige metallurgiske defekter finnes i strukturen med lav forstørrelse av titanlegeringsmaterialer som brukes i implantatprodukter, vil produktpartiet bli vurdert til å være ukvalifisert .Segregering er manifestasjonen av ujevn mikroregionsammensetning av titanlegeringsmaterialer i strukturen. Medical TC4ELI plate er en + type tofase titanlegering. Hvis mikroregionsammensetningen er ujevn, vil den forårsake unormaliteter i makroen og mikrostrukturen, noe som fører til unormaliteter. Det er en betydelig forskjell i hardhet mellom det normale området og det normale området, noe som vil føre til ujevn total ytelse av titanlegeringsmaterialet, og dermed redusere materialets styrke, utmattelseslevetid og plastisitet, og til slutt føre til tidlig materialfeil [{{ 1. 3}}].

Under observasjon med lav forstørrelse av en viss medisinsk TC4ELI titanlegeringsplate ble det funnet et unormalt båndformet område med en bredde på ca. 5 mm. Da en del av den ble fanget opp og observert ved lav forstørrelse, ble det funnet at det båndformede området var et lyst bånd. For nøyaktig å bestemme type defekt, er det nødvendig å identifisere defekten. Forfatteren har undersøkt og analysert årsakene.

1 Fysisk og kjemisk testing
1.1 Metallografisk undersøkelse
Bruk Observer. AIM-type ZEISS metallografisk mikroskop ble brukt til å utføre metallografisk undersøkelse av det lyse båndområdet og normalområdet til TC4ELI titanlegeringsplate. Som man kan se fra figur 2, er det lyse båndområdet en enfaset likeakset struktur, som viser segregeringslignende strukturelle egenskaper, mens det normale området er i strukturen til en typisk TC4ELI titanlegering behandlet i + tofaseområdet, alle de opprinnelige korngrensene er fullstendig brutt, så det kan fastslås at det lyse båndområdet er en segregeringsdefekt.

1.2 Skanneelektronmikroskopianalyse
JSMG6700 kaldt felt emisjon skanningselektronmikroskop (SEM) ble brukt til å analysere morfologien til det lyse båndområdet og normalområdet til TC4ELI titanlegeringsplaten. Som det fremgår av figur 3, er den enfasede likeaksede strukturen i det lyse båndområdet klarere, og det normale området viser + Karakteristikkene til den behandlede strukturen til tofaseområdet er i samsvar med resultatene av metallografisk undersøkelse, og det er videre bestemt at det lyse båndområdet er en segregeringsdefekt.

1.3 Energispektrumanalyse
Energispektrometeret (EDS) festet til skanningselektronmikroskopet ble brukt til å utføre mikrokomponentanalyse på det lyse båndområdet og normalområdet til TC4ELI titanlegeringsplaten. Analyseresultatene er vist i tabell 1. Det kan ses at vanadiuminnholdet i normalområdet er litt høyere enn standardverdien. I tillegg er innholdet av andre elementer i samsvar med kravene i GB/T 3620.1-2016 "Titan og titanlegeringskvaliteter og kjemiske sammensetninger"; titan-, aluminium- og vanadiuminnholdet i det lyse båndområdet er ikke innenfor standardområdet, og det er åpenbart titanrikt innhold. , fattig på aluminium og fattig på vanadium, og innholdet av oksygenelement er den øvre grensen for standardområdet, vurderes det at TC4ELI titanlegeringsplaten har titanrike segregeringsdefekter.

1.4 Hardhetstest
Segregeringen av titanlegeringer kan deles inn i hard segregering (hardheten til segregeringsdelen er høyere enn hardheten til normalsonen, også kjent som sprø segregering) og myk segregering (hardheten til segregeringsdelen er lavere enn hardheten til normalsonen) i henhold til forskjellen mellom hardheten til segregeringsdelen og normalsonen. Også kjent som ikke-skjør segregering). Micro-Vickers hardhetstester ble utført på det lyse båndområdet og det normale området på TC4ELI titanlegeringsplaten. De målte resultatene var henholdsvis 383HV og 327HV. Det kan sees at hardheten til det lyse båndområdet er betydelig høyere enn det normale området. Segregeringstypen i det lyse båndområdet er sprø segregering[11].
2 Analyse og diskusjon
Det lyse båndområdet til TC4ELI titanlegeringsplate er en segregeringsfeil. Denne defekten er forårsaket av den ufullstendige legeringen av partikler av mellomlegering. Det er en titanrik segregering, men det er ikke en vanlig titanrik segregering fordi hardheten til det titanrike segregeringsområdet bør være. Det er lavere enn normalområdet [12], og hardheten til segregeringsdefektområdet ( lyst båndområde) av TC4ELI titanlegeringsplate er høyere enn det normale området, noe som er i samsvar med egenskapene til segregering av interstitielle elementer. Interstitielle elementer refererer spesifikt til oksygen, karbon og nitrogen. elementer. Det høye innholdet av oksygen i segregasjonsdefektområdet bekrefter dette resultatet. Anrikningen av interstitielle elementer vil øke betafasetransformasjonstemperaturen til titanlegeringer, øke alfafasehardheten og gjøre materialet sprøtt. Oppsummert, TC4ELI titan Typen segregeringsdefekter i legeringsplater er titanrik + segregering av interstitiell element.
Årsaken til denne segregeringsdefekten er hovedsakelig relatert til smelteprosessen av titanlegering. Segregeringsfeilen har allerede blitt dannet i produksjonen av ingots. For tiden bruker Kinas produksjonsbedrifter for titanlegering generelt tre-pass vakuumsmeltende forbrukselektrisk lysbueovnssmeltemetode, som brukes under elektrodeforberedelsesprosessen. Feil bruk kan lett føre til metallforurensning eller dannelse av ildfaste oksider og nitrider. Feil valg av strøm og spenning vil føre til at smeltesonen ikke oppnår termisk balanse under smelteprosessen, og vil også føre til endringer i dybden til smeltebassenget, noe som resulterer i ujevn partikkelstørrelse på titansvampen. Den ujevne fordelingen av hovedlegeringsblandingen vil føre til anrikning og utarming av legeringselementer i lokale områder av materialet, noe som får fasetransformasjonspunktet i dette området til å avvike. Under den påfølgende varmebehandlingsprosessen vil den gradvis utvikle seg til en unormal struktur og danne segregeringsdefekter. [12G18].
3 Konklusjoner og forslag
TC4ELI titanlegeringsplater har titanrike + interstitielle element segregeringsdefekter. Denne defekten er forårsaket av den ujevne partikkelstørrelsen til titansvamp og den ujevne fordelingen av den mellomliggende legeringsblandingen under produksjonsprosessen av titanlegeringsblokker.
Det anbefales å redusere eller eliminere slike defekter ved å styrke kontrollen av råvarer og blandinger, samt valg av spenning og strøm under elektrodeforberedelse og smelteprosesser.
referanser:
[1] Yin Dongfang, Huang Yifei. Forskning på biokompatibilitet av medisinske titanlegeringer[J]. Journal of Medical Research, 2008, 37(10):96G97.
[2] Li Jun, Wei Jianhua, Zhang Yumei, etc. Biokompatibilitetsevaluering av nye medisinske titanlegeringer[J]. Journal of Practical Stomatology, 2010, 26(5): 636G640.
[3] Wang Weimin, Lin Shaohua, Cao Jimin, etc. Effekt av termisk prosesseringsteknologi på mikrostrukturen til medisinske TC4 legeringsstenger[J]. Titanium Industry Progress, 2012, 29 (3): 14G18.
[4] Wang Weimin, Lin Shaohua, Li Lei, etc. Sammensetning, struktur og mekaniske egenskaper til Ti6Al4V (ELI) legeringsstenger for kirurgiske implantater [J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): 555G559.
[5] Yu Zhentao, Yu Sen, Zhang Minghua, et al. Nåværende status og fremdrift for design, utvikling og anvendelse av nye medisinske titanlegeringsmaterialer for kirurgiske implantater [J]. China Materials Progress, 2010, 29(12):35G51.
[6] Ma Xiqun, Yu Zhentao, Niu Jinlong, et al. Forskningsfremgang på strukturen og egenskapene til nye biomedisinske titanlegeringer[J]. Biomedisinsk ingeniørfag og klinikk, 2013, 17(6):610G615.
[7] Bai Pengfei, Min Xiaohua, Tao Xiaojie, etc. Mikrostrukturkontroll og U-formet spikerkrympingsytelse for medisinske TC4 titanlegeringsstenger[J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2013, 49(2):117-118.
[8] Li Rong, Wei Dong, Xu Lu, et al. Bruddfeilanalyse av TA3 titanlegeringsbenplater for kirurgisk implantasjon [J]. Fysisk og kjemisk testing (fysikk), 2016, 52 (12): 897G899.
[9] Wei Fenrong, Fan Yajun, Wang Hai, etc. Forskning på egenskapene til TiG6AlG4VELI titanlegering for spinal topptråd[J]. Thermal Processing Technology, 2014, 43(4):98G 102.
[10] Li Hui, Qu Hennglei, Zhao Yongqing, etc. Forskning på mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til TiG6AlG4V ELI legeringsplate[J]. Titanium Industry Progress, 2005, 22(6):24G27.
[11] Zhang Li, Shen Liang, Li Ruiwen, et al. Mikroskopisk Vickers-hardhetstest av titanrik faseutfellingssone av VG5CrG5Ti-legering[J]. Fysisk og kjemisk testing (fysikkvolum), 2014, 50(9): 651G654.
[12] He Chunyan, Zhu Jianwen, Zhu Kangping. Analyse av vanlige segregeringsdefekter i - to-fase titanlegeringsstenger[J]. Fysisk og kjemisk testing (fysikk), 2013, 49(4): 247G250.
[13] Zhang Lijun, He Chunyan, Xue Xiangyi, etc. Eksempelanalyse av metallurgiske defekter av titanlegering[J]. Fysisk og kjemisk testing (fysikkvolum), 2013, 49(12): 819G822, 826.
[14] Cai Jianming, Zhang Wangfeng, Li Zhenxi, etc. Karakteristikk og kontroll av lyse og mørke striper på TC11 titanlegeringsblader[J]. Materials Engineering, 2005, 33(1): 16G19.
[15] Liu Jun, Tang Guangping, Yang Guizhu. Analyse av lyse strekedefekter i TC4 titanlegeringsstenger[J]. Fysisk og kjemisk testing (fysikk), 2011, 47(10): 646G 648.
[16] Wu Junfeng. Analyse av årsakene til sprekking av TC11 titanlegeringsstang[J]. Fysisk og kjemisk testing (fysikkvolum), 2012, 48(5): 331-333.
[17] Zhu Mingde, Shen Yinuo. Analyse av bruddsvikt av høyfaste titanlegeringsbolter [J]. Fysisk og kjemisk testing (fysikkvolum), 2008, 44(8): 446G450.
[18] Shi Xiaoli, Qi Fengjun, Mu Ying, et al. Analyse av årsakene til nikkel-titan-trådbrudd[J]. Fysisk og kjemisk testing (fysikkvolum), 2018, 54(11):829G832.