Defektanalys av medicinsk TC4ELI titanlegeringsplatta

Sammanfattning: En viss medicinsk TC4ELI titanlegeringsplatta visade sig ha genomträngande ljusbandsdefekter under inspektion med låg förstoring. Typerna och orsakerna till defekter analyserades genom metallografisk undersökning, svepelektronmikroskopanalys, energispektrumanalys och hårdhetstestning. Resultat Det visar att denna defekt är en segregationsdefekt av titanrik + interstitiellt element, som orsakas av den ojämna partikelstorleken hos titansvamp och den ojämna fördelningen av den mellanliggande legeringsblandningen under tillverkningsprocessen av titanlegeringsgöt. Det rekommenderas att minska eller eliminera denna defekt genom att kontrollera råvarorna och smältprocessen. defekt.

TC４ELI titanlegering har blivit ett medicinskt kirurgiskt implantat på grund av dess goda biokompatibilitet, låga elasticitetsmodul, låga densitet, goda rostskyddsegenskaper, icke-toxicitet, hög sträckgräns, långa utmattningslivslängd, stora plasticitet i rummet temperatur och lätt formning. Ett idealiskt material för medicinsk utrustning [1-2]. Medicinska TC4ELI titanlegeringsplattor används främst vid skallreparation, bentransplantation etc., som har högre krav på styrka, utmattningslivslängd, plasticitet etc. Enligt GB/T 13810-2017«Surgical Implantation Titan- och titanlegeringsbearbetning material för medicinskt bruk», om segregation, metalliska eller icke-metalliska inneslutningar och andra visuellt synliga metallurgiska defekter påträffas i strukturen med låg förstoring av titanlegeringsmaterial som används i implantatprodukter, kommer partiet av produkter att bedömas som okvalificerat .Segregation är manifestationen av ojämn mikroregionsammansättning av titanlegeringsmaterial i strukturen. Medical TC4ELI-plattan är en tvåfasig titanlegering av + typ. Om dess mikroregionsammansättning är ojämn, kommer det att orsaka abnormiteter i makro och mikrostruktur, vilket leder till abnormiteter. Det finns en betydande skillnad i hårdhet mellan det normala området och det normala området, vilket kommer att leda till ojämn total prestanda hos titanlegeringsmaterialet, och därigenom minska materialets styrka, utmattningslivslängd och plasticitet, och i slutändan leda till tidigt materialfel [{{ 13}}].

Vid lågförstoringsobservation av en viss medicinsk TC4ELI titanlegeringsplåt fann man ett onormalt bandformat område med en bredd på ca 5 mm. När en del av den fångades upp och observerades med låg förstoring, fann man att det bandformade området var ett ljust band. För att exakt bestämma typen av defekt är det nödvändigt att identifiera defekten. Författaren har undersökt och analyserat orsakerna.

1 Fysisk och kemisk testning
1.1 Metallografisk undersökning
Använd Observer. ZEISS metallografiska mikroskop av AIM-typ användes för att utföra metallografisk undersökning av det ljusa bandområdet och normalområdet på TC4ELI titanlegeringsplåt. Som framgår av figur 2, är det ljusa bandområdet en enfasig likaxlig struktur, som visar segregationsliknande strukturella egenskaper, medan det normala området är i strukturen hos en typisk TC4ELI titanlegering bearbetad i + tvåfasområdet, alla de ursprungliga korngränserna är helt brutna, så det kan fastställas att det ljusa bandområdet är en segregationsdefekt.

1.2 Svepelektronmikroskopianalys
JSMG6700 kallfältsemissionsskanningelektronmikroskop (SEM) användes för att analysera morfologin för det ljusa bandområdet och normalområdet på TC4ELI titanlegeringsplattan. Som framgår av figur 3 är den enfasiga likaxliga strukturen i det ljusa bandområdet tydligare, och det normala området visar + Karakteristiken för den bearbetade strukturen i tvåfasområdet överensstämmer med resultaten av metallografisk undersökning, och det bestäms vidare att det ljusa bandområdet är en segregationsdefekt.

1.3 Energispektrumanalys
Energispektrometern (EDS) fäst vid svepelektronmikroskopet användes för att utföra mikrokomponentanalys på det ljusa bandområdet och normalområdet på TC4ELI titanlegeringsplattan. Analysresultaten visas i tabell 1. Det kan ses att vanadinhalten i normalområdet är något högre än standardvärdet. Dessutom överensstämmer innehållet i andra element med kraven i GB/T 3620.1-2016 "Titan- och titanlegeringskvaliteter och kemiska sammansättningar"; innehållet av titan, aluminium och vanadin i det ljusa bandområdet ligger inte inom standardintervallet, och det finns ett uppenbart titanrikt innehåll. , fattiga på aluminium och fattiga på vanadin, och innehållet av syreelement är den övre gränsen för standardintervallet, bedöms det att TC4ELI titanlegeringsplattan har titanrika segregationsdefekter.

1.4 Hårdhetstest
Segregeringen av titanlegeringar kan delas in i hård segregation (hårdheten på segregeringsdelen är högre än hårdheten i normalzonen, även känd som spröd segregation) och mjuk segregation (hårdheten på segregeringsdelen är lägre än hårdheten på normalzonen) enligt skillnaden mellan segregationsdelens hårdhet och normalzonen. Även känd som icke-spröd segregation). Micro-Vickers hårdhetstester utfördes på det ljusa bandområdet och normalområdet på TC4ELI titanlegeringsplattan. De uppmätta resultaten var 383HV respektive 327HV. Det kan ses att hårdheten för det ljusa bandområdet är betydligt högre än det normala området. Segregationstypen i det ljusa bandområdet är spröd segregation[11].
2 Analys och diskussion
Det ljusa bandområdet på TC4ELI titanlegeringsplåt är en segregationsdefekt. Denna defekt orsakas av den ofullständiga legeringen av de mellanliggande legeringspartiklarna. Det är en titanrik segregation, men det är inte en vanlig titanrik segregation eftersom hårdheten hos det titanrika segregeringsområdet bör vara. Det är lägre än det normala området [12], och hårdheten hos segregationsdefektområdet ( ljusbandsarea) av TC4ELI titanlegeringsplåt är högre än det normala området, vilket överensstämmer med egenskaperna för segregering av mellanliggande element. Mellanliggande element hänvisar specifikt till syre, kol och kväve. element. Den höga halten av syre i segregationsdefektområdet bekräftar detta resultat. Anrikningen av interstitiella element kommer att öka beta-fasomvandlingstemperaturen för titanlegeringar, öka alfafashårdheten och göra materialet sprött. Sammanfattningsvis, TC4ELI titan Typen av segregationsdefekter i legerade plåtar är titanrik + segregering av interstitiell element.
Orsaken till denna segregationsdefekt är huvudsakligen relaterad till smältprocessen av titanlegering. Segregationsdefekten har redan bildats vid tillverkning av göt. För närvarande använder Kinas titanlegeringsföretag i allmänhet den trepassade vakuumsmältande förbrukningsbara ljusbågsugnssmältmetoden, som används under elektrodberedningsprocessen. Felaktig användning kan lätt leda till metallkontamination eller bildning av eldfasta oxider och nitrider. Felaktigt val av ström och spänning kommer att göra att smältzonen misslyckas med att uppnå termisk balans under smältningsprocessen, och kommer också att orsaka förändringar i den smälta poolens djup, vilket resulterar i ojämn partikelstorlek hos titansvampen. Den ojämna fördelningen av huvudlegeringsblandningen kommer att orsaka anrikning och utarmning av legeringselement i lokala områden av materialet, vilket gör att fasomvandlingspunkten i detta område avviker. Under den efterföljande heta bearbetningsprocessen kommer den gradvis att utvecklas till en onormal struktur och bilda segregationsdefekter. [12G18].
3 Slutsatser och förslag
TC4ELI titanlegeringsplåt har titanrika + mellanliggande element segregationsdefekter. Denna defekt orsakas av titansvampens ojämna partikelstorlek och den ojämna fördelningen av den mellanliggande legeringsblandningen under tillverkningsprocessen av titanlegeringsgöt.
Det rekommenderas att minska eller eliminera sådana defekter genom att stärka kontrollen av råmaterial och blandningar, samt valet av spänning och ström under elektrodberedning och smältprocesser.
referenser:
[1] Yin Dongfang, Huang Yifei. Forskning om biokompatibilitet hos medicinska titanlegeringar[J]. Journal of Medical Research, 2008, 37(10):96G97.
[2] Li Jun, Wei Jianhua, Zhang Yumei, etc. Biokompatibilitetsutvärdering av nya medicinska titanlegeringar[J]. Journal of Practical Stomatology, 2010, 26(5): 636G640.
[3] Wang Weimin, Lin Shaohua, Cao Jimin, etc. Effekten av termisk processteknik på mikrostrukturen hos medicinska TC4-legeringsstavar[J]. Titanium Industry Progress, 2012, 29 (3): 14G18.
[4] Wang Weimin, Lin Shaohua, Li Lei, etc. Sammansättning, struktur och mekaniska egenskaper hos Ti6Al4V (ELI) legeringsstavar för kirurgiska implantat [J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): 555G559.
[5] Yu Zhentao, Yu Sen, Zhang Minghua, et al. Aktuell status och framsteg för design, utveckling och tillämpning av nya medicinska titanlegeringsmaterial för kirurgiska implantat [J]. China Materials Progress, 2010, 29(12):35G51.
[6] Ma Xiqun, Yu Zhentao, Niu Jinlong, et al. Forskningsframsteg om strukturen och egenskaperna hos nya biomedicinska titanlegeringar[J]. Biomedicinsk teknik och klinik, 2013, 17(6):610G615.
[7] Bai Pengfei, Min Xiaohua, Tao Xiaojie, etc. Mikrostrukturkontroll och U-formad spikkrympningsprestanda för medicinska TC4 titanlegeringsstavar[J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2013, 49(2):117-118.
[8] Li Rong, Wei Dong, Xu Lu, et al. Frakturfelanalys av TA3 titanlegeringsbenplattor för kirurgisk implantation [J]. Physical and Chemical Testing (Physics), 2016, 52 (12): 897G899.
[9] Wei Fenrong, Fan Yajun, Wang Hai, etc. Forskning om egenskaperna hos TiG6AlG4VELI titanlegering för spinal topptråd[J]. Thermal Processing Technology, 2014, 43(4):98G 102.
[10] Li Hui, Qu Hennglei, Zhao Yongqing, etc. Forskning om mikrostrukturen och mekaniska egenskaper hos TiG6AlG4V ELI legeringsplåt[J]. Titanium Industry Progress, 2005, 22(6):24G27.
[11] Zhang Li, Shen Liang, Li Ruiwen, et al. Mikroskopiskt Vickers hårdhetstest av titanrik fasutfällningszon av VG5CrG5Ti-legering[J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2014, 50(9): 651G654.
[12] He Chunyan, Zhu Jianwen, Zhu Kangping. Analys av vanliga segregationsdefekter i - tvåfasstavar av titanlegering[J]. Physical and Chemical Testing (Physics), 2013, 49(4): 247G250.
[13] Zhang Lijun, He Chunyan, Xue Xiangyi, etc. Exempelanalys av metallurgiska defekter hos titanlegering[J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2013, 49(12): 819G822, 826.
[14] Cai Jianming, Zhang Wangfeng, Li Zhenxi, etc. Egenskaper och kontroll av ljusa och mörka ränder på TC11 titanlegeringsblad[J]. Materialteknik, 2005, 33(1): 16G19.
[15] Liu Jun, Tang Guangping, Yang Guizhu. Analys av ljusstrimmiga defekter i TC4 titanlegeringsstänger[J]. Physical and Chemical Testing (Physics), 2011, 47(10): 646G 648.
[16] Wu Junfeng. Analys av orsakerna till sprickbildning av TC11 titanlegeringsstav[J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2012, 48(5): 331-333.
[17] Zhu Mingde, Shen Yinuo. Analys av brottbrott hos höghållfasta titanlegeringsbultar [J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2008, 44(8): 446G450.
[18] Shi Xiaoli, Qi Fengjun, Mu Ying, et al. Analys av orsakerna till brott av nickel-titan-tråd[J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2018, 54(11):829G832.