Slitiny titanu pro použití (nejen) v medicíně

Transkript

1 Slitiny titanu pro použití (nejen) v medicíně Josef Stráský a spol. Katedra fyziky materiálů MFF UK

2 Obsah Vývoj slitin Ti pro použití v ortopedii Spolupráce: Beznoska s.r.o., Kladno Ultrajemnozrnné slitiny Ti Budoucnost, příležitosti, spolupráce

3 Titanový implantát

4 Motivace Chceme: slitinu Ti s těmito vlastnostmi: Vysoká pevnost (> 800 MPa), nízký modul pružnosti (~ 50 GPa) Vysoká biokompatibilita (vhodné prvky: Ti, Nb, Zr, Ta, O; mnoho nevhodných) Jak? Vhodné chemické složení Termo-mechanické zpracování Ultra-jemnozrnný materiál Charakterizace: SEM, (TEM), EBSD, mikrotvrdost, tahové zkoušky, (únava)

5 Příběh 1: Slitiny Ti-Nb-Ta-Zr Slitina TNTZ + příměsi Fe: 0% vs. 2% Si: 0% vs. 0.15% vs. 0.25% O: 0.06% vs. 0.4% vs. 0.7% Ti Nb Zr Ta wt. % Příprava: Přetavování směsi prvků v obloukové peci v čistém He (drahé) Homogenizační žíhání Kování (na vzduchu, ideální by ale bylo v ochranné atmosféře) Alloy composition wt. % Mo equiv Nb equiv TNTZ 13 Metastable β 48 β TNTZ+2Fe 19 Metastable β 68 β TNTZ+0.15Si 13 Metastable β 48 β TNTZ+0.25Si 13 Metastable β 48 β TNTZ+2Fe+0.15Si 19 Metastable β 68 β TNTZ+2Fe+0.25Si 19 Metastable β 68 β TNTZ+0.4O 9 Metastable β 33 α''+β TNTZ+0.25Si+0.4O 9 Metastable β 33 α''+β TNTZ+2Fe+0.4O 15 Metastable β 54 β TNTZ+0.25Si+2Fe+0.4O 15 Metastable β 54 β TNTZ+0.7O 6 Metastable β 23 α'' TNTZ+0.25Si+0.7O 6 Metastable β 23 α'' TNTZ+2Fe+0.7O 12 Metastable β 43 β TNTZ+2Fe+0.25Si+0.7O 12 Metastable β 43 β

6 Pozorování pomocí SEM + EDX TNTZ+2Fe TNTZ+0.7O

7 Modul pružnosti Spolupráce Ústav termomechaniky AV ČR Závislost modulu pružnosti na chemickém a fázovém složení Nižší modul pružnosti než běžně používaná slitina Ti-6Al-4V (110 GPa)

8 Biokompatibilita Spolupráce Fyziologický ústav AV ČR 1 den 3 dny 7 dní Lepší biokompatibilita než slitina Ti-6Al-4V(B) Vyšší přilnavost buněk k materiálu

9 Mikrotvrdost + tahové zkoušky Kyslík nejvíce zvyšuje pevnost Lze dosáhnout mez kluzu vyšší než 1000 MPa

10 Slitina TNZT dvojčatění Akustická emise výchozí slitina TNTZ Nedeformovaný materiál EBSD: jedná se o dvojčatění Vzorek po tahové zkoušce AE ostatní slitiny (příklad)

11 Příběh 2: Ultrajemnozrnné slitiny Ti Připravené metodou torze za vysokého tlaku (high-pressure torsion HPT) Plánovány další metody přípravy Slitina Ti-6Al-7Nb (α+β slitina), slitina Ti-15Mo (metastabilní beta slitina) Plánovány další slitiny Rychle se rozvíjející oblast Experimentální charakterizace: SEM, (TEM), mikrotvrdost, pozitronová anihilační spektroskopie (PAS) Cíl: Materiál s maximální pevností (využití nejen v medicíně), zlepšení funkčních vlastností (korozní odolnost, biokompatibilita

12 Slitina Ti-6Al-7Nb pozorování pomocí SEM dvoufázový materiál (α+β), fáze mají odlišné chemické složení lze využít Z-kontrast k pozorování mikrostruktury Výchozí stav Po deformaci HPT, 5 otáček (N = 5) Střed vzorku 5 mm od okraje vzorku β fáze: světlejší oblast vyšší obsahu beta-stabilizačního Nb α zrna: vyšší obsah Al α + β oblast: lamely fáze α α-zrna jsou zdeformovaná, ale nejsou fragmentovaná Zrna v α+β oblasti jsou fragmentovaná Na okraji vzorku lze pozorovat směr deformace Okraj vzorku

13 Měření mikrotvrdosti slitina Ti-15Mo N = 5 N = 10 Mapa rozložení mikrotvrdosti > 1000 vpichů na každém vzorku

14 Pozitronová anihilační spektroskopie Spolupráce doc. Čížek, Katedra fyziky nízkých teplot MFF UK Na Ne e Na T1/2 = 2.6 year t1/2 = 3.7 ps b 90.4 %, EC 9.5 % g 1274 kev b 0.06 % Ne start signal

15 Interakce pozitronu v pevné látce kev Thermalization t < 1110 Na ps 10Ne e l ~ 50 mm E kt (0.03 ev) t1/2 = 3.7 ps g 1274 kev b 90.4 %, EC 9.5 % b 0.06 % Difusion t Na ~ 100 ps l ~ 100 nm T1/2 = 2.6 year kev Anihilation Ne 511 kev

16 Spektrum dob života pozitronu 1e+6 Intensity 1e+5 1e+4 Cu: t 1 = 84 ps I 1 = 48% t 2 = 180 ps I 2 = 52% 1e+3 1e t (ps) Dekompozice spektra na komponenty i Doby života t i typ defektů Intenzity I i koncentrace/hustota defektů

17 Měření doby života pozitronů detektory sendvič: vzorek-zdroj-vzorek

18 Příklad: slitina Ti-6Al-7Nb I 1 (%) free positrons N=0 N=1/4 Slitina Ti-6Al-7Nb připravená metodou HPT Přítomnost vakancí a dislokací dislocations r (mm) Koncentrace defektů se zvyšuje s počtem otáček HPT I 2 (%) N=0 N=1/4 N=1/2 N=1 N=3 N=5 N=15 Vysoká hustota defektů (s vyšším počtem otáček HPT - nad detekčním limitem) vacancy clusters r (mm) 20 I 3 (%) N=0 N=1/4 N=1/2 N=1 N=3 N=5 N= r (mm)

19 counts counts Dopplerovské rozšíření g 1 annihilation 2 E mec E 1 e - e + E cp L 2 g 2 2 E mec E annihilation peak Bi FWHM = 2.580(3) kev FWHM = 1.103(1) kev E (kev) E (kev)

20 Dopplerovské rozšíření S parametr (~valenční e - ) counts S parametr Roste s rostoucím množstvím elektronů s nízkou hybností Mřížové defekty nižší hustota rychlých elektronů Zvýšení hustoty defektů zvýšení S parametru channel

21 Příklad: Slitina Ti-15Mo Zvýšení parametru S s rostoucí vzdáleností od středu a se zvyšujícím se počtem otáček HPT (tj. s rostoucí deformací) Coincidence Doppler broadening Ještě pokročilejší měření Defekty odpovídají dislokacím v Ti Kolem dislokací se neshlukují atomy Mo Žádné vakance

22 Budoucnost, příležitosti, spolupráce Fázové transformace v metastabilních beta slitinách Ti Vliv chemického složení na fázové složení Vliv tepelného zpracování na fázové transformace (kinetika fázových transformací) Vznik, velikost, tvar a distribuce částic fáze omega, následný vznik fáze alfa SEM, TEM (in-situ?), rezistivita, DSC, rentgenová difrakce, SAXS, elastická anizotropie, SANS/neutronová difrakce,,? Teorie, modelování, pokročilá analýza experimentálních dat... Vliv chemického/fázového složení na mechanické vlastnosti zpevnění tuhého roztoku (substituční, intersticiální), zpevnění částicemi jiných fází Mikrotvrdost, tahové zkoušky, únavová odolnost Mechanismy zpevnění, relace mezi mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi Ultra-jemnozrnné materiály Studium mikrostruktury, vliv na mechanické vlastnosti? Vliv vakancí na pevnost materiálu? Vliv vysoké koncentrace defektů na modul pružnosti Vliv mikrostruktury na fázové transformace ve slitinách Ti? Vznik a vývoj defektů při intenzivní plastické deformaci Další metody intenzivní plastické deformace ECAP, ECAP-Conform Bottom-up přístup (kryomletí + spark plasma sintering) Plánovaná spolupráce Ústav fyziky plasmatu AV ČR

23 Děkuji za pozornost! Tato přednáška byla štědře sponzorována Grantovou agenturou ČR v rámci projektu podpory excelence v základním výzkumu G