Defektanalyse af medicinsk TC4ELI titaniumlegeringsplade

Abstrakt: En bestemt medicinsk TC4ELI titanlegeringsplade viste sig at have gennemtrængende lysbåndsdefekter under inspektion med lav forstørrelse. Typerne og årsagerne til defekter blev analyseret gennem metallografisk undersøgelse, scanningelektronmikroskopanalyse, energispektrumanalyse og hårdhedstestning. Resultater Det viser, at denne defekt er en titan-rig + interstitiel element segregation defekt, som er forårsaget af den ujævne partikelstørrelse af titanium svamp og den ujævne fordeling af den mellemliggende legering blanding under produktionsprocessen af ​​titanium legering ingots. Det anbefales at reducere eller eliminere denne defekt ved at kontrollere råmaterialerne og smelteprocessen. defekt.

TC４ELI titanlegering er blevet et medicinsk kirurgisk implantat på grund af dets gode biokompatibilitet, lave elasticitetsmodul, lave tæthed, gode anti-korrosionsegenskaber, ikke-toksicitet, høj flydespænding, lange træthedslevetid, store plasticitet i rummet temperatur og let formning. Et ideelt materiale til medicinsk udstyr [1-2]. Medicinske TC4ELI titanlegeringsplader bruges hovedsageligt til kraniereparation, knogletransplantation osv., som har højere krav til styrke, træthedslevetid, plasticitet osv. Ifølge GB/T 13810-2017«Surgical Implantation Titanium- og titanlegeringsbehandling materialer til medicinsk brug», hvis der findes segregation, metalliske eller ikke-metalliske indeslutninger og andre visuelt synlige metallurgiske defekter i strukturen med lav forstørrelse af titanlegeringsmaterialer, der anvendes i implantatprodukter, vil partiet af produkter blive bedømt som ukvalificeret. er manifestationen af ​​ujævn mikroregionsammensætning af titanlegeringsmaterialer i strukturen. Medical TC4ELI plade er en + type tofaset titanlegering. Hvis dets mikroregionsammensætning er ujævn, vil det forårsage abnormiteter i makroen og mikrostrukturen, hvilket fører til abnormiteter. Der er en væsentlig forskel i hårdhed mellem det normale område og det normale område, hvilket vil føre til ujævn overordnet ydeevne af titanlegeringsmaterialet og derved reducere materialets styrke, træthedslevetid og plasticitet og i sidste ende føre til tidlig materialefejl [{{ 13}}].

Under observation med lav forstørrelse af en bestemt medicinsk TC4ELI titanlegeringsplade blev der fundet et unormalt båndformet område med en bredde på omkring 5 mm. Da en del af det blev opsnappet og observeret ved lav forstørrelse, fandt man ud af, at det båndformede område var et lyst bånd. For nøjagtigt at bestemme typen af ​​defekt er det nødvendigt at identificere defekten. Forfatteren har undersøgt og analyseret årsagerne.

1 Fysisk og kemisk test
1.1 Metallografisk undersøgelse
Brug Observer. AIM-type ZEISS metallografiske mikroskop blev brugt til at udføre metallografisk undersøgelse af det lyse båndområde og det normale område af TC4ELI titanlegeringsplade. Som det kan ses af figur 2, er det lyse båndområde en enfaset ligeakset struktur, der viser segregationslignende strukturelle karakteristika, mens det normale område er i strukturen af ​​en typisk TC4ELI titanlegering, der er behandlet i + tofaseområdet, alle de oprindelige korngrænser er fuldstændigt brudt, så det kan fastslås, at det lyse båndområde er en adskillelsesdefekt.

1.2 Scanningelektronmikroskopianalyse
JSMG6700 koldt felt emission scanning elektronmikroskop (SEM) blev brugt til at analysere morfologien af ​​det lyse båndområde og det normale område af TC4ELI titanlegeringspladen. Som det kan ses af figur 3, er den enfasede ligeaksede struktur i det lyse båndområde klarere, og det normale område viser + Karakteristikaene for den bearbejdede struktur af det tofasede område er i overensstemmelse med resultaterne af metallografisk undersøgelse, og det bestemmes endvidere, at det lyse båndområde er en adskillelsesdefekt.

1.3 Energispektrumanalyse
Energispektrometeret (EDS) fastgjort til scanningselektronmikroskopet blev brugt til at udføre mikrokomponentanalyse på det lyse båndareal og det normale område af TC4ELI titanlegeringspladen. Analyseresultaterne er vist i tabel 1. Det ses, at vanadiumindholdet i normalområdet er lidt højere end standardværdien. Derudover er indholdet af andre elementer i overensstemmelse med kravene i GB/T 3620.1-2016 "Titanium- og titanlegeringskvaliteter og kemiske sammensætninger"; indholdet af titanium, aluminium og vanadium i det lyse båndområde er ikke inden for standardområdet, og der er tydeligt indhold af titanium. , fattig på aluminium og fattig på vanadium, og indholdet af oxygenelement er den øvre grænse for standardområdet, vurderes det, at TC4ELI titanlegeringspladen har titaniumrige adskillelsesfejl.

1.4 Hårdhedstest
Adskillelsen af ​​titanlegeringer kan opdeles i hård adskillelse (hårdheden af ​​adskillelsesdelen er højere end hårdheden af ​​den normale zone, også kendt som skør adskillelse) og blød adskillelse (hårdheden af ​​adskillelsesdelen er lavere end hårdheden på normalzonen) i henhold til forskellen mellem hårdheden af ​​adskillelsesdelen og normalzonen. Også kendt som ikke-skør adskillelse). Micro-Vickers hårdhedstest blev udført på det lyse båndområde og det normale område af TC4ELI titanlegeringspladen. De målte resultater var henholdsvis 383HV og 327HV. Det kan ses, at hårdheden af ​​det lyse båndområde er betydeligt højere end det normale område. Segregationstypen i det lyse båndområde er skør segregation[11].
2 Analyse og diskussion
Det lyse båndområde af TC4ELI titanlegeringsplade er en adskillelsesdefekt. Denne defekt er forårsaget af den ufuldstændige legering af de mellemliggende legeringspartikler. Det er en titanium-rig segregation, men det er ikke en almindelig titanium-rig segregation, fordi hårdheden af ​​det titan-rige segregation område bør være. Det er lavere end det normale område [12], og hårdheden af ​​adskillelsesdefektområdet ( lyst båndareal) af TC4ELI titanlegeringsplade er højere end det normale område, hvilket er i overensstemmelse med egenskaberne ved adskillelse af mellemliggende elementer. Interstitielle elementer refererer specifikt til oxygen, kulstof og nitrogen. elementer. Det høje indhold af oxygen i segregationsdefektområdet bekræfter dette resultat. Berigelsen af ​​interstitielle elementer vil øge betafase-transformationstemperaturen af ​​titanlegeringer, øge alfafase-hårdheden og gøre materialet skørt. Sammenfattende, TC4ELI titanium Typen af ​​adskillelsesdefekter i legeringsplader er titanium-rig + interstitiel element segregation.
Årsagen til denne adskillelsesdefekt er hovedsageligt relateret til smelteprocessen af ​​titanlegering. Adskillelsesfejlen er allerede blevet dannet i produktionen af ​​ingots. På nuværende tidspunkt anvender Kinas titanlegeringsproduktionsvirksomheder generelt den tre-pas vakuumsmeltende forbrugselektriske lysbueovnssmeltemetode, som betjenes under elektrodeforberedelsesprocessen. Forkert brug kan let føre til metalforurening eller dannelse af ildfaste oxider og nitrider. Forkert valg af strøm og spænding vil medføre, at smeltezonen ikke opnår termisk balance under smeltningsprocessen, og vil også forårsage ændringer i dybden af ​​den smeltede pool, hvilket resulterer i ujævn partikelstørrelse af titansvamp. Den ujævne fordeling af masterlegeringsblandingen vil forårsage berigelse og udtømning af legeringselementer i lokale områder af materialet, hvilket får fasetransformationspunktet i dette område til at afvige. Under den efterfølgende varmebehandlingsproces vil det gradvist udvikle sig til en unormal struktur og danne adskillelsesdefekter. [12G18].
3 Konklusioner og forslag
TC4ELI titanlegeringsplader har titanium-rige + interstitielle element segregationsdefekter. Denne defekt er forårsaget af titansvampens ujævne partikelstørrelse og den ujævne fordeling af mellemlegeringsblandingen under produktionsprocessen af ​​titaniumlegeringsbarrer.
Det anbefales at reducere eller eliminere sådanne defekter ved at styrke kontrollen med råmaterialer og blandinger samt valg af spænding og strøm under elektrodeforberedelse og smelteprocesser.
referencer:
[1] Yin Dongfang, Huang Yifei. Forskning i biokompatibilitet af medicinske titanlegeringer[J]. Journal of Medical Research, 2008, 37(10):96G97.
[2] Li Jun, Wei Jianhua, Zhang Yumei osv. Biokompatibilitetsevaluering af nye medicinske titanlegeringer[J]. Journal of Practical Stomatology, 2010, 26(5): 636G640.
[3] Wang Weimin, Lin Shaohua, Cao Jimin osv. Effekt af termisk behandlingsteknologi på mikrostrukturen af ​​medicinske TC4 legeringsstænger[J]. Titanium Industry Progress, 2012, 29 (3): 14G18.
[4] Wang Weimin, Lin Shaohua, Li Lei osv. Sammensætning, struktur og mekaniske egenskaber af Ti6Al4V (ELI) legeringsstænger til kirurgiske implantater [J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): 555G559.
[5] Yu Zhentao, Yu Sen, Zhang Minghua, et al. Nuværende status og fremskridt for design, udvikling og anvendelse af nye medicinske titanlegeringsmaterialer til kirurgiske implantater [J]. China Materials Progress, 2010, 29(12):35G51.
[6] Ma Xiqun, Yu Zhentao, Niu Jinlong, et al. Forskningsfremskridt i strukturen og egenskaberne af nye biomedicinske titanlegeringer[J]. Biomedicinsk teknik og klinik, 2013, 17(6):610G615.
[7] Bai Pengfei, Min Xiaohua, Tao Xiaojie osv. Mikrostrukturkontrol og U-formet neglekrympningsydelse af medicinske TC4 titanlegeringsstænger[J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2013, 49(2):117-118.
[8] Li Rong, Wei Dong, Xu Lu, et al. Brudfejlsanalyse af TA3 titanlegeringsknogleplader til kirurgisk implantation [J]. Fysisk og kemisk test (fysik), 2016, 52 (12): 897G899.
[9] Wei Fenrong, Fan Yajun, Wang Hai osv. Forskning i egenskaberne af TiG6AlG4VELI titanlegering til spinal toptråd[J]. Thermal Processing Technology, 2014, 43(4):98G 102.
[10] Li Hui, Qu Hennglei, Zhao Yongqing osv. Forskning i mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af TiG6AlG4V ELI legeringsplade[J]. Titanium Industry Progress, 2005, 22(6):24G27.
[11] Zhang Li, Shen Liang, Li Ruiwen, et al. Mikroskopisk Vickers hårdhedstest af titanium-rig fase udfældningszone af VG5CrG5Ti legering[J]. Fysisk og kemisk testning (fysikvolumen), 2014, 50(9): 651G654.
[12] He Chunyan, Zhu Jianwen, Zhu Kangping. Analyse af almindelige adskillelsesdefekter i - tofasede titanlegeringsstænger[J]. Fysisk og kemisk testning (fysik), 2013, 49(4): 247G250.
[13] Zhang Lijun, He Chunyan, Xue Xiangyi osv. Eksempelanalyse af metallurgiske defekter af titanlegering[J]. Fysisk og kemisk testning (fysikvolumen), 2013, 49(12): 819G822, 826.
[14] Cai Jianming, Zhang Wangfeng, Li Zhenxi osv. Karakteristika og kontrol af lyse og mørke striber på TC11 titanlegeringsblade[J]. Materials Engineering, 2005, 33(1): 16G19.
[15] Liu Jun, Tang Guangping, Yang Guizhu. Analyse af lysstribedefekter i TC4 titanlegeringsstænger[J]. Fysisk og kemisk testning (fysik), 2011, 47(10): 646G 648.
[16] Wu Junfeng. Analyse af årsagerne til revnedannelse af TC11 titanlegeringsstang[J]. Physical and Chemical Testing (Physics Volume), 2012, 48(5): 331-333.
[17] Zhu Mingde, Shen Yinuo. Analyse af brudsvigt af højstyrke titanlegeringsbolte [J]. Fysisk og kemisk testning (fysikvolumen), 2008, 44(8): 446G450.
[18] Shi Xiaoli, Qi Fengjun, Mu Ying, et al. Analyse af årsagerne til nikkel-titanium-trådbrud[J]. Fysisk og kemisk testning (fysikvolumen), 2018, 54(11):829G832.