Universitatea Politehnica București B ucurești Departamentul de Bioinginerie și Biotehnologie
Biomateriale metalice Aliaje Ti- Mo și Ti- Zr
Masterand: Mihai Mihaela Specializarea: Specializarea: Biomateriale An I
2010-2011
Cuprins
1. Biomateriale metalice – scurt istoric .............................................. 3 2.
Proprietățile biomaterialelor metalice ............................................ 4
3. Titanul folosit folosit ca biomaterial ......................................................... 6 3.1.
Titanul și aliajele sale folosite în medicină ............................... 7
3.1.1. Aliaje Ti-Mo ..................................................................... ....................................................................... .. 8 3.1.2. Aliaje Ti-Zr ....................................................................... 14 4. Bibliografie .................................................................................. .................................................................................. 21 21
2
1. Biomateriale metalice – scurt istoric
Ştiinţa biomaterialelor este „ştiinţa care se ocupă cu interacţiunile dintre organismele vii şi materiale”, iar biomaterialele ca fiind „orice substanţă sau combinaţie de substanţă, de origine naturală sau sintetică, care poate fi folosită pe o perioadă de timp bine determinată, ca un întreg sau ca o parte componentă a unui sistem care tratează, grăbeşte, sau înlocuieşte un ţesut, organ sau o funcţie a organismului uman”(Williams 1992). Astfel s-a născut ştiinţa biomaterialelor cu
un vocabular medical şi ştiinţific îmbogăţit de
noi termeni, destinaţi definirii interacţiunii între un organism viu si un material. Ortopedia, chirurgia estetica, oftamologia, chirurgia maxio- facială,
cardiologia, urologia
si neurologia şi practic toate specialităţile medicale nu numără mai puţin de 400 de produse diferite şi 10% din activităţile medicale necesită utilizarea de biomateriale în scopuri de: diagnosticare, prevenţie şi terapie ( Fig.1). Din categoria biomaterialelor folosite pentru realizare a
implanturilor şi a dispozitivelor
medicale fac parte următoarele materiale: polimerii, metalele, ceramicele şi compozitele. Metalele sunt unele dintre cele mai folosite biomateriale în cazul implanturilor ortopedice, şi nu numai. Acestea sunt cunoscute pentru rezistenţa mare la uzură, ductibilitate şi duritate ridicată. Cel mai des folosite metale pentru realizarea implanturilor sunt oţelurile inoxidabile, aliajele de cobalt-crom- molibden, titanul şi aliajele de titan.
Titanul şi aliajele acestuia sunt folosite cu precădere la realizarea implanturilor ortopedice datorită faptului că proprietăţile mecanice ale acestuia sunt asemănătoare cu cele ale ţesutului osos.
Principalele dezavantaje al acestor metale sunt rigiditatea ridicată pe care o au în comparaţie
cu ţesuturile gazdă, precum şi tendinţa acestora de a crea artefacte în cazul
procedeelor de diagnosticare avansate (investigarea cu computerul tomografic şi rezonanţă magnetică).
3
Figura 1. Aplicaţii ale biomaterialelor în medicină
2. Proprietățile biomaterialelor metalice
Proprietăţile materialelor sunt guvernate direct chiar de structura lor. La nivel atomic, metalele sunt formate din ioni pozitivi, aflaţi în interiorul norului de electroni liberi. Acest nivel atomic este responsab il
pentru caracteristicile şi proprietăţile distincte ale metalelor.
Legăturile metalice permit atomilor să se autoaranjeze într -o anumită ordine, să se repete şi să se organizeze într -un model cristalin tridimensional. Electronii liberi sunt responsabili pentru proprietăţile electrice şi de conductibilitate termică a metalelor. Datorită faptului că legăturilor interatomice din structura metalelor nu sunt spaţial orientate, atomii aflaţii la capătul straturilor pot aluneca de pe un strat pe altul dând astfel naştere deformaţiei plastice. Proprietăţile chimice ale metalelor depind tot de natura legăturilor lor atomice. Cu cât legăturile dintre atomi sunt mai puternice, şi greu de rupt, cu atât materialul este mai inactiv.
4
Deoarece interacţiunea dintre ţesutul uman şi biomaterial are loc la nivelul interfeţei dintre cele două componente, proprietăţile suprafeţei materialului implantat sunt de mare importanţă. Metalele în stare pură sunt mai rar utilizate, aliajele acestora fiind mai des folosite datorită f aptului că îmbunătăţesc unele dintre proprietăţi, cum ar fi rezistenţa la coroziune şi duritatea.
Trei grupe de materiale domină grupa biomaterialelor metalice: oţelurile inoxidabile 316 L, aliajele de cobalt-crom- molibden şi titanul pur sau aliaje de tita n (tabelul 1).
Primul tip de oţel inoxidabil folosit în implanturi a fost oţelul de vanadiu (18 -8Va), dar rezistenţa la coroziune a acestuia nu a fost prea bună. Pentru a -i mări rezistenţa la coroziune, în compoziţia acestuia s-a adăugat molibden (18 -8Mo), care mai târziu a devenit oţelul inoxidabil 316. În anii 1950, componenta de carbon a oţelului inoxidabil 316 a fost redusă de la 0,08% la 0,03% din greutatea totală, cu scopul de creştere a rezistenţei la coroziune. Astăzi, acest oţel poartă numele de oţ el inoxidabil 316L şi conţine o cantitate de 0,03% carbon, 2% magneziu, 17-20% crom, 12-14% nichel, 2- 4% molibden şi alte elemente în cantităţi mai mici cum ar fi fosforul, sulful, şi siliconul(Davis J.R. , 2003). Tabelul 1 Compoziţia % a biomaterialelor metalice folosite în implanturile medicale. Element
Oţel inoxidabil 316
Aliajul Co-Cr-
Titan
Aliaj Ti-6Al-AV
L
Mo
C
0,03%
0,035%
0,010%
5,5-6,5%
Co
-
ponderat
-
0,08%
Cr
17-20%
26-30%
-
-
Fe
ponderat
0,75%
0,3-0,5%
-
H
-
-
0,0125-0,015%
0,25%
Mo
2-4%
5-7%
-
0,0125%
Mn
2%
1%
-
-
N
-
0,25%
0,03-0,05%
-
Ni
12-14%
1%
-
0,05%
O
-
-
0,18-0,40%
-
P
0,03%
-
-
0,13%
S
0,03%
-
-
-
Si
0,75
1%
-
-
Ti
-
-
ponderat
-
V
-
-
-
ponderat
W
-
-
-
3,5-4,5%
5
3. Titanul folosit ca biomaterial
Primele încercări de utilizare a titanului în implanturile medicale datează din anii 1930. Greutatea uşoară (4,5 g/cm3) precum şi proprietăţile mecano-chimice forte bune ale titanului, fac din acesta un material foarte utilizat în cazul implanturilor ortopedice. Există patru categorii de titan
folosite în aplicaţiile medicale. Deosebirile dintre ele sunt date de
impurităţi ca: oxigen, fier şi nitrogen. În particular, oxigenul are o bună influenţă în cazul ductibilităţii şi rezistenţei mecanice. Pe lângă componentele prezentate mai sus se mai folosesc
şi alte componente ca: hidrogenul şi carbonul (0,015% şi respectiv 0,1%). De
asemenea titanul are o rezistenţă foarte mare la coroziune, datorită formării unui strat de oxid de titan (TiO2)
pe suprafaţa acestuia. Această peliculă produce grăbirea pr ocesului de
osteointegrare, proces prin care ţesutul osos aderă la suprafaţa implantului fără apariţia inflamaţiei cronice. Dezavantajele titanului includ o rezistenţă la forfecare relativ mică, rezistenţă mică la uzură şi dificultăţi în procesul de fabricaţie. În tabelul 2 sunt redate cele mai importante proprietăţi mecanice ale biomaterialelor metalice folosite mai des în aplicaţiile medicale. Tabelul 2 Proprietăţile mecanice ale celor mai folosite biomateriale meta lice Proprietăţi
Rezistenţa de rupere la tracţiune Limita de curgere Densitate
E [MPa]
[g/cm3]
Modul de elasticitate E [GPa]
Rezistenţa la oboseală
O[MPa]
T
[MPa]
Oţel
Aliaj
Aliaj
Os
inoxidabil
Co-Cr
Ti-6Al-4V
cortical
586-1351
655-1896
760
965-1103
70-150
221-1213
448-1606
485
896-1034
30-70
7,9
8,3
4,5
4,5
-
190
210-253
110
116
15-30
241-820
207-950
300
620
-
Titan
Modulul de elasticitate al materialelor prezentate este de cel puţin şapte ori mai mare decât cel al ţesutului osos. Această neconcordanţă poate duce la apariţ ia fenomenului de „supraconsolidare”, o stare caracterizată prin reabsorbţia osoasă în vecinătatea implantului. Complicaţiile clinice apar datorită faptului că cea mai mare parte din solicitarea mecanică este preluată de către implant, privând ţesutul osos de stimularea mecanică necesară procesului de homeostază. Proprietăţile mecanice ale unui implant depind nu numai de tipul materialului folosit dar şi de procesul de fabricaţie, tratamentele termice şi mecanice putând schimba 6
microstructura materialului.
De exemplu, în cazul prelucrării la rece (forjare sau cilindrare),
deformările rezultate duc la o creştere a durităţii şi a rezistenţei materialului, dar din păcate scade ductibilitatea şi creşte reactivitatea chimică.
3.1.
Titanul și aliajele sale folosite în medicină
Biomaterialelor metalice au fost utilizate în principal pentru fabricarea dispozitivelor medicale pentru înlocuirea ţesuturilor dure, cum ar fi articulaţiile artificiale de sold , placi osoase şi implanturi dentare, deoarece acestea sunt foar te sigure din punct de vedere al performanţelor mecanice. Această tendinţă este de aşteptat să continue. Mai mult, oţeluri inoxidabile, aliajelor Co, şi Ti şi aliajele sale (denumit în continuare aliaje de titan) sunt utilizate în principal la fabricarea de biomateriale metalice De când se cunoa ște
că aliajele de Ti au cea mai buna biocompatibilitate, cercetarea și
dezvoltarea sistemului de biomateriale bazat pe Ti a fos t
urmarit cu mare interes în zona
biomaterialelor metalice.
Deoarece chiar şi aliajele de titan, care sunt extrem de biocompatibile, nu sunt bioactive,
cercetări considerabile s-au efectuat pe studiul modificării suprafețelor ceramicii
bioactive cu scopul de a studia pe viitor biocompatibilitatea acestor materiale.
Foarte recent, au început cercetări ale suprafeț elor modificate de polimeri a aliajelor de titan prin legăturile chimice, în scopul de a mări biofuncționalitatea . Este de aşteptat ca cercetările privind creșterea biofunctionalității biomaterialelor metalice prin topirea şi omogenizarea lor cu ceramica, polimeri, sau ambele, în funcţie de scopul dorit, importanţa acordată acestui subiect va creşte.
Cele mai multe cercetări asupra biomaterialelor de titan se fac concentrându-se pe aliaje de titan deoarece variabilele de prelucrare pot fi controlate pentru a produce rezultate selectate; proprietăţi
îmbunătăţite, cum ar fi modul redus de elasticitate, rezistenţă sporită la
coroziune, şi răspunsul ţesuturilor îmbunătăţite sunt posibile în comparaţie cu aliaje de tip (Geetha M. și colab,2008 ). Prin urmare, aliajel de titan compus din elemente non-toxice, cum ar fi Nb, Ta, Zr,
Mo, şi Sn având modulul de elasticitate inferior şi rezistenţă mai mare ar trebui să fie din ce in ce mai mult dezvoltate.
7
3.1.1. Aliaje Ti-Mo
În ultimii ani, aliaje Ti-Mo privite ca biomaterialelor au fost studiate, cu accent pe microstructura şi proprietăţile lor mecanice. Hoet și colab., Sugano
și colab ., Guo şi Enomoto ,Sukedai și colab., şi Liu ș i colab. ,
de exemplu, au efectuat diferite studii privind
transformarile de faza, eliberare de stres, şi
proprietăţile mecanice a diferitelor aliaje de Ti-Mo. Zhang și colab .
au studiat formarea martensitei indusă într -un aliaj metastabil Ti-
Mo bazat pe utilizarea difracției de raze X și microscopie electronică de transmisie. Într -o a doua lucrare, Zhang și colab. folosește microscopie electronică cu transmisie de înaltă rezoluţie, difracție de raze X in situ analize folosite pentru a elucida sensibilitatea compozițională a comportamentului la de formare în aliaje bazate pe Ti-Mo. Aliaje cu 8% Mo expuse la tensiuni elastice/plastice c are
duc la formarea ireversibilă
de martensită ortorombică indusă de stres. Aliaj care conţine 10% Mo au prezentat un răspuns pronunţat pseudoelastic cu recuperare de 80% din tulpina impusă de tracțiune.
Având în vedere că există doar câteva studii care se ocupă cu aliajele ti-mo aliaje și utilizarea lor potenţială ca biomateriale, scopul acestei lucrări a fost de a obţine aliaje Ti-Mo, cu concentraţii diferite de Mo de la 4 la 20 % , şi să analizeze caracteristicile lor chimice, morfologice, structurale şi electrochimice în condiţiile date. Aliajele Ti-Mo cu diferite compoziț ii (4, 6, 8, 10, 15, şi 20 Mo%.), s -au topit într -un cuptor cu arc electric având un electrod neconsumabil de W si un suport atmosfera de
de cupru răcit cu apă în
argon pur, în urma unei proceduri bine -cunoscut descrise in literatura de
specialitate(Oliveira
Nilson T.C. și colab., 2006).
Iniţial, un vid de 10 -3 atm a fost creat şi apoi argon ultra-pur a fost injectat. Această procedură a fost repetată de trei ori şi un vid de 10-3 atm de argon a fost menţinut până la sfârşitul procesului, asigurând eliminarea tuturor gazelor de oxigen din sistem. După această procedură, diverse aliaje au fost topite din elemente chimice de înaltă puritate. Lingouri de aproximativ 60 g au fost obţinute pentru fiecare aliaj. În scopul de a asigura omogenitatea probelor au fost întoarse și retopite de 20 de ori.
Analizele chimice (EDX şi XRF) au fost efectuate în domenii diferite (în vrac şi de suprafaţă) şi rezultatele arată că compoziţia chimică efectivă a aliajelor este aproape de valorile lor nominale (Tabelul 3 ) şi sunt in conformitate cu 8
ASTM F-67.
Tabel 3 . Rezultatul analizelor EDX şi XRF pentru aliajul Ti-Mo
După cum se poate observa, numai din aliaj Ti -20Mo a fost uşor diferită (în jur de 2%), atunci când valorile nominale şi experimentale au fost comparate. Compoziţia chimică a aliajelor a fost omogenă şi nu au fost gasite diferenţe la suprafaţă şi în vrac. Rezultatele obţinute în această lucrare a arătat că structura cristalina a aliajelor binare Ti-Mo este sensibilă
la concentraţia de molibden din aliaj (Fig. 2).
Figura 2. Difractogramele XRD ale aliajelor Ti-Mo de la 4 la 20 %Mo
9
Prin
compararea rezultatelor obţinute pentru diverse aliaje, se poate observa că un
amestec de faze hexagonal ′
şi ortor ombic ′′ a fost observată pentru aliajul Ti-4Mo, şi faza ′′
se observă aproape exclusiv în cazul în care concentraţia de Mo adăugat titanului ajunge la 6%.
O retenţie semnificativă a fazei se observă pentru aliaje care conţin 10% Mo, în timp ce la concentraţii mai mari (15% şi 20%), retenţia de faza este verificată numai în spectrele de raze X. Comportarea la coroziune a aliajului Ti-15Mo utilizat pentru implanturi dentare
Aliajele de titan dezvoltate în stadiu incipient sunt în principal cele de tip . Recent, biocompatibilitate mecanic ă a biomaterialelor este, de asemenea, considerat ă ca fiind un criteriu important în selecţ ia biomaterialului. Prin urmare, cercetarea
şi dezvoltarea de
aliaje de titan de tip , care sunt considerate avantajoase în termeni de biocompatibilitate mecanic ă, sunt în creştere. Mai multe faze- a aliajelor de titan, având
Nb, Ta, Zr si Mo ca elemente de aliere (elemente
-stabilizator), cum ar fi, Ti-12Mo-6Zr-2Fe
şi Ti-13Mo-7Zr-3Fe ("TMZF"), Ti-15Mo-5Zr-
3Al, Ti-15Mo-3NB-3O ("21Srx TIMETAL"), Ti-14Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta
şi Ti-34Nb-
9Zr-8Ta ("TNZT "), Ti-29Nb-4.6Zr-13Ta, Ti-15Mo, etc, au fost dezvoltate de Ho si colab Oliveira și colab
şi
au studiat structura şi proprietăţile pe o serie de aliaje binare cu Ti cu un
conţinut de Mo ajungând până la 20%. Pe baza evoluţiei microstructurale şi consolidarea mecanismelor de aliaj Ti-15Mo, Nag et al. au recomandat ca fiind unul dintre aliajele biocompatibile promiţătoare(Kumar
S. și colab.,2008)
Biocompatibilitatea Ti şi a aliajelor sale cu aplicare in domeniul implanturilor dentare este decis în funcţie de răspunsul osteointegrării şi comportamentului celulelor de adeziune. Wang şi Li au studiat biocompatibilitatea aliajelor de titan pentru restaurare dentare. Ei au descoperit ca Ti şi aliajele sale nu au avut efecte mutagene, dar nici o diferenţă semnificativă în atașarea celulelor nu a fost observată. Modificarea
suprafeţei aliajelor de titan, şi anume acoperire cu TiN, acoperire cu
hidroxiapatita pulverizat ă,
etc, au fost explorate pentru
a îmbunătăţi biocompatibilitatea
aliajelor de titan folosite pentru implanturi dentare.
Acesta a stabilit că proprietăţile chimice ale stratului de oxid de pe aliajele de titan joac ă un rol important în decizia biocompatibilității sale cu ţesuturile înconjurătoare. În cazul în care mediul este acid şi conţine cantitatea considerabilă de ioni de fluor, atunci aceasta ar cond uce
10
la formarea de acid fluorhidric (HF). În cazul în care concentraţia de HF depăşeşte 3 0 ppm, filmul pasiv pe aliajul de Ti va fi distrus şi proprietăţile sale mecanice vor fi drastic afectate. Alierea anumitor element e,
împreună cu Ti se constată că oferă o mai bună rezistență la
coroziune în medii care conţin fluorură. Microstructura, structura şi microrezistenţa aliajului Ti -15Mo
Microstructura aliajelor Ti-15Mo (Fig. 3) arată -granule de dimensiuni aproape egale ca fază dominantă, care sunt omogen
şi uniform distribuite. Modelul cu raze x de aliaj indică
faptul că doar faza- este păstrată în structură. Microrezistenţa de aliaj Ti-15Mo se dovedeşte a fi 238 ± 5 HV0.2.
Figura 3. Microstructura aliajului Ti-15Mo
11
Studii de polarizare potenț iodinamică a aliajului Ti -15Mo
Studii
de polarizare potențiodinamică
intervalul de potenţialul -250
a aliajului Ti-15Mo au fost efectuate în
până la +250 mV cu privire la OCP vs SCE la o rată de scanare
de 100 mV / min, pentru a observa efectul de ioni d e
florură asupra comportamentului la
coroziune (Fig.4).
Figura 4.
Curba polarizării potențiodinamice a aliasjului Ti -15Mo în 0,15 M NaCl cu
variația concentrației ionilor fluorurați (190, 570,1140 și 9500 ppm) cu rata de scanare de 100 mV (potemțialul in mV vs SCE). Deşi
forma curbelor este destul de similară, regiunea activă a curbelor este extinsă la
regiunea curentă mai mare în prezenţa ionilor de fluor. Potenţialul de coroziune (Ecorr) şi densitatea curentului de coroziune (icorr), calculate folosind metoda de extrapolare Tafel, sunt
compilate în Tabelul 4. Există o schimbare catodică în Ecorr 275 - 457 mV vs SCE şi o creştere remarcabilă în icorr de la 0.31-2.30 mA/cm2 cu creşterea concentraţiei de ioni de fluorură 0-9500 ppm.
12
Tabel 4. Potențialul de coroziune(E corr ), densitatea de curent(i corr ) și curba densitate de curent pasiv(i pass ) a aliajului Ti- 15Mo în 0,15 M NaCl la diferite conc entratii de ion fluorură
Studiul a condus la urmatoarele concluzii:
Aliajul Ti-15Mo
arată prezenţa -fazei, care este omogenă şi uniform distribuită şi
microduritatea sa este de 238 ±5 HV0.2.
Tranziţia activ- pasiv se observă în prezenţa tuturor concentraţiilor de ioni de fluor. Cu toate acestea, regiunea activă este extinsă la regiunea curentă mai mare în prezenţa ionilor de fluor. În ciuda dizolvării active în prezenţa ionilor de fluor, aliajul Ti-15Mo prezintă pasivitate la potenţialul anodic. Există o dependenţă puternică a icorr , Ecorr, iPass, RCT, CDL şi mediu la starea de echilibru, valorile densit ăţii
de curent a aliajului Ti-15Mo privind concentraţia de ioni de
fluorură în mediul electrolit. Creşterea concentraţiei de ioni de fluor creşte icorr, iPass medie, la starea de echilibru valorile densităţii de curent şi CDL, determină o schimbare în Ecor r catodică şi o scădere a valorilor RCT, sugerând influenţa negativă a ion fluor şi o scădere a capacităţii de protecţie la coroziune a Ti- 15Mo aliaj. Densitatea medie la
starea de echilibru actuală, de asemenea, prezintă o dependenţă
liniară asupra potenţialului, sugerând dizolvarea filmului de oxid de protecţie, precum şi substratului. Ca expunere a implanturilor dentare la ioni fluor urați numai la
care conţin geluri, etc, ar fi limitat
’’gât’’ implantul şi pentru perioade foarte scurte de timp, cantitat ea de ioni Mo
eliberat din aliaj Ti-15Mo nu este de natură să aibă un efect advers. Prin urmare, în termeni de biocompatibilitate aliajul Ti-15Mo pare să fie acceptabil pentru
aplicaţii in implanturi dentare.
Pe baza rezultatelor studiului, aliajul Ti-15Mo poate fi o alternativă implanturile dentare (Kumar S. și colab, 2008).
13
potrivită pentru
3.1.2. Aliaje Ti-Zr
În ultimii ani a existat o dezvoltare semnificativă a aliajelor noi folosite pentru implanturi bazat pe Ti, cum ar fi sistemele de aliaje Ti-Nb-Zr și Ti-Nb-Zr-Ta.
În continuare se vor prezenta caracteristicile aliajelor Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr şi Ti-41.1Nb-7.1Zr în care Nb va substitui Ta, cu accent pe proprietăți – microstructură –
relaţii
între com poziţii. Aceste aliaje sunt produse din materiale pur comerciale (Ti, Nb, Zr şi Ta), printr-o metodă de topire pe arc elecric (Elias L.M. și colab., 2006). Titanul şi aliaje de titan sunt potrivite ca biomateriale clinic utilizate deoarece proprietăţile lor
biologice, mecanice şi fizice joacă un ro l semnificativ în durata de viață a protezelor şi implanturilor. Reacţia
tesuturilor studiate au identificat Ti, Nb, Zr şi Ta ca elemente non-toxice,
deoarece acestea nu provoacă nici o reacţie adversă în corpul uman. În plus, Nb şi, într -o măsură mai mică, Ta , acţionează ca stabilizatori, pentru a forma soluţii solide omogene, în timp ce Zr acţionează ca un element neutru pentru formarea unei soluţii omogene
solidă în faze şi . În plus, Nb şi Ta se folosesc pentru a reduce modul de
elasticitate aliat cu titan,
în anumite cantităţi.
Studii despre Ti-Nb-Ta-(Zr) au arătat că sistemul de transformări de fază sunt sensibile
atât la rata de răcire şi de compoziţia chimică. Fig. 5 ilustrează schematic o transformare de răcire continuă (TVC), diagrame pentru aliaje Ti – Nb – Ta – Zr cu un conţinut de aproximativ 7% Zr (Elias
L.M. și colab, 2006).
14
Figura 5. Diagramele CCT schematice pentru Ti – Nb – Ta – Zr
cu un conținut
aproximativ de 7% Zr ( Tang şi colab., 2000) Studiul experimental:
Aliajele Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta timp de 2 h apoi cu
şi Ti-41.1Nb-7.1Zr soluţii au fost tratate la 1000 °C
apă de răcire pentru a elimina influenţa microstructurii iniţiale şi pentru a
garanta omogenitatea microstructurii. Se poate observa din Fig. 6
şi 7 pentru ambele aliaje
care microstructuri sunt constituite de o matrice ce conţine precipitate dendritice.
15
Figura 6. soluţie de aliaj Ti -35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta tratată la 1000 ◦ C / 2 h şi călire cu apă, micrografii cu: (a) microscopie la lumina şi (b) SEM
16
Figura 7 . Soluţie de ali aj Ti – 41.1Nb –7.1Zr tratată la 1000 ◦ C / 2 h şi călire cu apă, micrografii cu: (a) microscopie la lumina şi (b) SEM
La analizarea Fig. 8,
se observă recristalizarea microstructurala completă a aliajului
Ti-41.1Nb-7.1Zr ,în timp ce pentru aliajul Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta
după cum se arată în Fig. 9 .
17
aceasta nu se întâmplă,
Figura 8. Aliajul Ti-41.1Nb-7.1Zr tratat la 1000 ◦ C / 2 h şi călire cu apă după prelucrarea la rece, micrografiilor de: (a) microscopie lumina si (b) SEM.
Figura 9. Aliajul Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta tratat la 1000 ◦ C / 2 h şi călire cu apă după prelucrarea la rece, micrografiilor de: (a) microscopie cu lumina si (b) SEM.
Curbele experimentale efort-deformaţie pentru aliajele testate sunt reprezentate grafic
în fig. 10. Valorile proprietăţilor mecanice sunt rezumate în tabelul 5. Unele diferenţe se observa la proprietăţile mecanice.
18
Figura 10 . Curbe efort- deformaţie : (a) Ti– 41.1Nb –7.1Zr şi (b) Ti– 35.3Nb – 7.1Zr – 5.1Ta.
41.1Nb – 7.1Zr şi Ti– 35.3Nb – 7.1Zr – 5.1Ta. Tabelul 5. Proprietăţile mecanice pentru Ti –
19
Concluziile studiului
Studiul de faţă a investigat microstructuri şi proprietăţi mecanice pentru aliajele Ti41.1Nb- 7.1Zr
şi Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta, care au fost produse de aceeaşi cale de prelucrare
termomecanic. Cu analiza a rezultatelor obţinute, se poate concluziona: 1.
Tratament termic la 1000 ◦ C / 2 h dupa ce a lucr at la rece nu au fost suficient pentru a promova o recristalizare completă a aliajului Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta.
2.
Comportamentul la stres arată că ambele aliaje aveau caracteristicile unui material elastic perfect plastic, independent de compoziţia chimică
3.
Valorile iniţiale ale modulului elastic au fost aproximativ egale pentru ambele aliaje. Cu toate acestea, pe baza comportamentului de modul tangenta,
a fost posibil să se
concluzioneze că aliajul Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta prezinta scădere considerabilă de rigiditate. 4.
Creşterea rezistenţei a limitei la rupere şi alungire pot fi legate cu prezenţa tantalului.
5. Unele anchete sunt necesare mai mult pentru a concluziona cu privire la toate
caracteristicile care influenţează comportamentul microstructural şi mecanic ale aliajelor de titan 41.1Nb- 7.1Zr
şi Ti-135.3Nb-7.1Zr-5.1Ta ( Elias L.M. și colab,
2006).
Zirconiul este folosit mai nou și în stomatologie ca cea mai fizionomică opțiune pentru o coroană dentară. Se pune sub porțelan în loc de metal pentru a nu transpare sub porțelan. Se mai folosește și la implantologie tot din același motiv, dar și pentru că are o biocompatibilitate superioară, înlocuind titanul. Are o densitate mică și este un metal de tranziție dur, lucios și rezistent la coroziune (inclusiv față de apa de mare, apa regală și clor), cu o culoare argintie. Titanul poate fi folosit în combinații cu fierul, vanadiul, molibdenul, printre alte elemente, cu scopul de a produce aliaje puternice și ușoare pentru aerospațiu (motor cu reacție, proiectil sau nave spațiale), uz militar, procese industriale (chimicale și petro-chimicale, uzine de desalinizare, hârtie), automobile, agro-alimentare, proteze medicale, implanturi ortopedice, intrumente și pile dentare, im planturi dentare, bijuterii, telefoane mobile și alte aplicații. Pentru aliajele de acest tip Ti-Mo și Ti-Zr înca se mai fac cercetări pentru determinarea microstructurii și proprietăților, din ce in ce mai mulți cercetători își îndreapta atenția către aceste aliaje deoarece devin din ce în ce mai promițătoare pentru aplicații în medicină.
20
4. Bibliografie
1.
Davis J.R. ’’Handbook of Materials for Medical Devices’’ ASM International 2003
2. Elias L.M., Schneider S.G., Schneider S., Silva H.M., Malvisi F.
’’Microstructural and mechanical characterization of biomedical Ti – Nb – Zr( – Ta) alloys’’ Materials Science and Engineering A 432 (2006) 108 – 112. 3. Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. the ultimate choice for orthopaedic implants
‚’’ Ti based biomaterials,
– A review ’’, Progress in
Materials Science 54 (2009) 397 – 425 4. Kumar Satendra , Narayanan T.S.N. Sankara,
’’Corrosion behaviour of Ti –
15Mo alloy for dental implant applications’’ ,J ournal of de n t i s t r y 3 6 ( 2 0 0 8 ) 5 0 0 – 5 0 7 5. Oliveira Nilson T.C. , Aleixo Giorgia , Caram Rubens, Guastaldi Antonio C.
’’Development of Ti – Mo alloys for biomedical applications: Microstructure and electrochemical characterization ’’ , Materials Science and Engineering A 452 – 453 (2007) 727 – 731 6. Tang X., Ahmed T., Rack H.J., J. Mater. Sci. 35 (2000) 1805 – 1811.
21
22
