doplar zkouška

Slitiny titanu pro použití (nejen) v
medicíně
Josef Stráský a spol.
Katedra fyziky materiálů MFF UK
Obsah
• Vývoj slitin Ti pro použití v ortopedii
• Spolupráce: Beznoska s.r.o., Kladno
• Ultrajemnozrnné slitiny Ti
• Budoucnost, příležitosti, spolupráce
Titanový implantát
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)
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
wt. % 51.7
Příprava:
•
Přetavování směsi prvků v obloukové peci
v čistém He (drahé)
•
Homogenizační žíhání
•
Kování (na vzduchu, ideální by ale bylo v
ochranné atmosféře)
Nb
Zr
Ta
35.3
7.3
5.7
Alloy composition wt. Mo
%
equiv
TNTZ
13
TNTZ+2Fe
19
TNTZ+0.15Si
13
TNTZ+0.25Si
13
TNTZ+2Fe+0.15Si
19
TNTZ+2Fe+0.25Si
19
TNTZ+0.4O
9
TNTZ+0.25Si+0.4O
9
TNTZ+2Fe+0.4O
15
TNTZ+0.25Si+2Fe+0.4O
15
TNTZ+0.7O
6
TNTZ+0.25Si+0.7O
6
TNTZ+2Fe+0.7O
12
TNTZ+2Fe+0.25Si+0.7O
12
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Metastable β
Nb
equiv
48
68
48
48
68
68
33
33
54
54
23
23
43
43
β
β
β
β
β
β
α''+β
α''+β
β
β
α''
α''
β
β
Pozorování pomocí SEM + EDX
TNTZ+2Fe
TNTZ+0.7O
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)
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
Mikrotvrdost + tahové zkoušky
•
Kyslík nejvíce zvyšuje pevnost
•
Lze dosáhnout mez kluzu vyšší než 1000 MPa
•
…
Slitina TNZT – dvojčatění
Akustická emise – výchozí slitina TNTZ
Nedeformovaný materiál
Vzorek po tahové zkoušce
EBSD: jedná se o dvojčatění
AE– ostatní slitiny (příklad)
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
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
β – fáze: světlejší
oblast vyšší obsahu
beta-stabilizačního Nb
α zrna: vyšší obsah Al
α + β oblast: lamely fáze α
5 mm od okraje vzorku
α-zrna jsou
zdeformovaná, ale
nejsou fragmentovaná
Zrna v α+β oblasti jsou
fragmentovaná
Na okraji vzorku lze
pozorovat směr deformace
Okraj vzorku
Měření mikrotvrdosti – slitina Ti-15Mo
N=5
•
•
Mapa rozložení mikrotvrdosti
> 1000 vpichů na každém vzorku
N = 10
Pozitronová anihilační spektroskopie
Spolupráce – doc. Čížek, Katedra fyziky nízkých teplot MFF UK
22
11

Na22
10 Ne  e  
22
11
T1/2 = 2.6 year
b 90.4 %, EC 9.5 %
t1/2 = 3.7 ps
g 1274 keV
22
10
Na
Ne
start signal
b 0.06 %
Interakce pozitronu v pevné látce
1274 keV
+
Thermalization
22
22

Na

Ne

e

11
10
t < 10 ps
Difusion
l ~ 50 mm
511 keV
22
11
t Na
~ 100T1/2
ps = 2.6 year
E  kT (0.03 eV)
l ~ 100 nm
b 90.4 %, EC 9.5 %
t1/2 = 3.7 ps
g 1274 keV
22
10
b 0.06 %
+
Ne
511 keV
Anihilation
Spektrum dob života pozitronu
1e+6
Cu:
t1 = 84 ps I1 = 48%
t2 = 180 ps I2 = 52%
1e+5
Intensity
1e+4
1e+3
1e+2
-2000
-1000
0
1000
2000
t (ps)
3000
4000
Dekompozice spektra na komponenty i
Doby života ti  typ defektů
Intenzity Ii  koncentrace/hustota defektů
5000
6000
Měření doby života pozitronů
detektory
sendvič: vzorek-zdroj-vzorek
Příklad: slitina Ti-6Al-7Nb
free positrons
25
N=0
N=1/4
20
I1 (%)
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
r (mm)
dislocations
100
N=0
N=1/4
N=1/2
N=1
N=3
N=5
N=15
I2 (%)
90
80
70
60
0
2
vacancy clusters
4
6
8
10
r (mm)
20
N=0
N=1/4
N=1/2
N=1
N=3
N=5
N=15
I3 (%)
15
10
5
0
0
2
4
r (mm)
6
8
10
Slitina Ti-6Al-7Nb připravená
metodou HPT
– Přítomnost vakancí a dislokací
– Koncentrace defektů se zvyšuje
s počtem otáček HPT
– Vysoká hustota defektů (s
vyšším počtem otáček HPT nad detekčním limitem)
Dopplerovské rozšíření
g1
E1  mec 2  E
annihilation
E 
e- e+
cp L
2
E2  me c 2  E
Bi
10000
1000
1000
100
100
10
10
counts
10000
counts
g2
207
annihilation peak
FWHM = 2.580(3) keVFWHM = 1.103(1) keV
1
490
500
510
520
E (keV)
530
1
550
560
570
580
E (keV)
590
Dopplerovské rozšíření
S parametr (~valenční e-)
S parametr
10000
• Roste s rostoucím
množstvím elektronů s
nízkou hybností
• Mřížové defekty  nižší
hustota „rychlých“
elektronů
• Zvýšení hustoty defektů
 zvýšení S parametru
1000
counts
100
10
10600
10800
channel
11000
11200
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
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
Děkuji za pozornost!
Tato přednáška byla štědře sponzorována Grantovou
agenturou ČR v rámci projektu podpory excelence v
základním výzkumu 14-36566G