Análise de defeitos da placa médica de liga de titânio TC4ELI

Resumo: Descobriu-se que uma determinada placa médica de liga de titânio TC4ELI apresentava defeitos penetrantes de banda brilhante durante a inspeção de baixa ampliação. Os tipos e causas dos defeitos foram analisados ​​através de exame metalográfico, análise de microscópio eletrônico de varredura, análise de espectro de energia e testes de dureza. Resultados Mostra que este defeito é um defeito de segregação rico em titânio + elemento intersticial, que é causado pelo tamanho irregular das partículas da esponja de titânio e pela distribuição desigual da mistura de liga intermediária durante o processo de produção de lingotes de liga de titânio. Recomenda-se reduzir ou eliminar este defeito controlando as matérias-primas e o processo de fundição. defeito.

A liga de titânio TC４ELI tornou-se um implante médico-cirúrgico devido à sua boa biocompatibilidade, baixo módulo de elasticidade, baixa densidade, boas propriedades anticorrosivas, não toxicidade, alto limite de escoamento, longa vida útil à fadiga, grande plasticidade na sala temperatura e fácil formação. Um material ideal para dispositivos médicos [1-2]. As placas médicas de liga de titânio TC4ELI são usadas principalmente em reparo de crânio, enxerto ósseo, etc., que possuem requisitos mais elevados de resistência, resistência à fadiga, plasticidade, etc. De acordo com GB/T 13810-2017«Implantação Cirúrgica Processamento de titânio e liga de titânio materiais para uso médico», se segregação, inclusões metálicas ou não metálicas e outros defeitos metalúrgicos visualmente visíveis forem encontrados na estrutura de baixa ampliação de materiais de liga de titânio usados ​​em produtos de implante, o lote de produtos será considerado não qualificado.Segregação é a manifestação da composição irregular de microrregiões de materiais de liga de titânio na estrutura. A placa médica TC4ELI é uma liga de titânio bifásica tipo +. Se sua composição microrregional for irregular, causará anormalidades na macro e microestrutura, levando a anormalidades. Há uma diferença significativa na dureza entre a área normal e a área normal, o que levará a um desempenho geral desigual do material da liga de titânio, reduzindo assim a resistência do material, a vida em fadiga e a plasticidade e, em última análise, levando à falha precoce do material [{{ 13}}].

Durante a observação de baixa ampliação de uma determinada placa médica de liga de titânio TC4ELI, foi encontrada uma área anormal em forma de faixa com largura de cerca de 5 mm. Quando uma parte dela foi interceptada e observada em baixa ampliação, descobriu-se que a área em forma de faixa era uma faixa brilhante. Para determinar com precisão o tipo de defeito, é necessário identificá-lo. O autor examinou e analisou as causas.

1 Testes físicos e químicos
1.1 Exame metalográfico
Utilize o Observador. O microscópio metalográfico ZEISS tipo AIM foi utilizado para realizar o exame metalográfico da área da banda brilhante e da área normal da placa de liga de titânio TC4ELI. Como pode ser visto na Figura 2, a área da banda brilhante é uma estrutura equiaxial monofásica, apresentando características estruturais semelhantes a segregação, enquanto a área normal é Na estrutura de uma liga de titânio TC4ELI típica processada na região + bifásica, todos os limites de grão originais estão totalmente quebrados, portanto pode-se determinar que a área da banda brilhante é um defeito de segregação.

1.2 Análise por microscopia eletrônica de varredura
O microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo frio (SEM) JSMG6700 foi usado para analisar a morfologia da área da banda brilhante e da área normal da placa de liga de titânio TC4ELI. Como pode ser visto na Figura 3, a estrutura equiaxial monofásica na área da banda brilhante é mais clara, e a área normal mostra + As características da estrutura processada da área bifásica são consistentes com os resultados do exame metalográfico, e é ainda determinado que a área da banda brilhante é um defeito de segregação.

1.3 Análise do espectro energético
O espectrômetro de energia (EDS) acoplado ao microscópio eletrônico de varredura foi utilizado para realizar análise de microcomponentes na área da banda brilhante e na área normal da placa de liga de titânio TC4ELI. Os resultados da análise são apresentados na Tabela 1. Pode-se observar que o teor de vanádio na área normal é ligeiramente superior ao valor padrão. Além disso, o conteúdo de outros elementos está em conformidade com os requisitos da GB/T 3620.1-2016 "Graus e composições químicas de titânio e ligas de titânio"; o conteúdo de titânio, alumínio e vanádio na área da banda brilhante não está dentro da faixa padrão e há um conteúdo obviamente rico em titânio. , pobre em alumínio e pobre em vanádio, e o conteúdo do elemento oxigênio é o limite superior da faixa padrão, considera-se que a placa de liga de titânio TC4ELI possui defeitos de segregação ricos em titânio.

1.4 Teste de dureza
A segregação de ligas de titânio pode ser dividida em segregação dura (a dureza da parte de segregação é superior à dureza da zona normal, também conhecida como segregação frágil) e segregação suave (a dureza da parte de segregação é inferior à dureza de a zona normal) de acordo com a diferença entre a dureza da parte de segregação e a zona normal. Também conhecida como segregação não frágil). Testes de dureza Micro-Vickers foram realizados na área da banda brilhante e na área normal da placa de liga de titânio TC4ELI. Os resultados medidos foram 383HV e 327HV respectivamente. Pode-se observar que a dureza da área da banda brilhante é significativamente maior que a da área normal. O tipo de segregação na área da banda brilhante é a segregação frágil[11].
2 Análise e Discussão
A área da faixa brilhante da folha de liga de titânio TC4ELI é um defeito de segregação. Este defeito é causado pela liga incompleta das partículas intermediárias da liga. É uma segregação rica em titânio, mas não é uma segregação rica em titânio comum porque a dureza da área de segregação rica em titânio deve ser inferior à área normal [12], e a dureza da área do defeito de segregação ( área de banda brilhante) da folha de liga de titânio TC4ELI é maior que a da área normal, o que é consistente com as características de segregação de elementos intersticiais. Os elementos intersticiais referem-se especificamente a oxigênio, carbono e nitrogênio. elementos. O alto teor de oxigênio na área do defeito de segregação comprova esse resultado. O enriquecimento de elementos intersticiais aumentará a temperatura de transformação da fase beta das ligas de titânio, aumentará a dureza da fase alfa e tornará o material quebradiço. Em resumo, titânio TC4ELI O tipo de defeito de segregação em folhas de liga é rico em titânio + segregação de elemento intersticial.
A causa deste defeito de segregação está relacionada principalmente ao processo de fundição da liga de titânio. O defeito de segregação já se formou na produção de lingotes. Atualmente, as empresas de produção de ligas de titânio da China geralmente adotam o método de fundição em forno elétrico a arco consumível por fusão a vácuo de três passagens, que é operado durante o processo de preparação do eletrodo. O uso inadequado pode facilmente levar à contaminação de metais ou à formação de óxidos e nitretos refratários. A seleção inadequada de corrente e tensão fará com que a zona de fusão não consiga atingir o equilíbrio térmico durante o processo de fusão e também causará alterações na profundidade da poça fundida, resultando em tamanho de partícula irregular da esponja de titânio. A distribuição desigual da mistura mestre da liga causará o enriquecimento e esgotamento dos elementos da liga em áreas locais do material, fazendo com que o ponto de transformação de fase nesta área se desvie. Durante o processo de processamento a quente subsequente, ele evoluirá gradualmente para uma estrutura anormal e formará defeitos de segregação. [12G18].
3 Conclusões e sugestões
As folhas de liga de titânio TC4ELI apresentam defeitos de segregação de elementos intersticiais + ricos em titânio. Este defeito é causado pelo tamanho desigual das partículas da esponja de titânio e pela distribuição desigual da mistura de liga intermediária durante o processo de produção de lingotes de liga de titânio.
Recomenda-se reduzir ou eliminar tais defeitos fortalecendo o controle de matérias-primas e misturas, bem como a seleção de tensão e corrente durante a preparação do eletrodo e processos de fundição.
referências:
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