Analyse des défauts de la plaque médicale en alliage de titane TC4ELI

Résumé : Une certaine plaque médicale en alliage de titane TC4ELI s'est avérée présenter des défauts pénétrants de bande brillante lors d'une inspection à faible grossissement. Les types et les causes des défauts ont été analysés par examen métallographique, analyse au microscope électronique à balayage, analyse du spectre énergétique et tests de dureté. Résultats Il montre que ce défaut est un défaut de ségrégation des éléments riches en titane + interstitiels, provoqué par la taille inégale des particules de l'éponge de titane et la répartition inégale du mélange d'alliage intermédiaire pendant le processus de production de lingots d'alliage de titane. Il est recommandé de réduire ou d'éliminer ce défaut en contrôlant les matières premières et le processus de fusion. défaut.

L'alliage de titane TC４ELI est devenu un implant chirurgical médical en raison de sa bonne biocompatibilité, de son faible module d'élasticité, de sa faible densité, de ses bonnes propriétés anticorrosion, de sa non-toxicité, de sa limite d'élasticité élevée, de sa longue durée de vie en fatigue et de sa grande plasticité dans la pièce. température et formage facile. Un matériau idéal pour les dispositifs médicaux [1-2]. Les plaques médicales en alliage de titane TC4ELI sont principalement utilisées dans la réparation du crâne, la greffe osseuse, etc., qui ont des exigences plus élevées en matière de résistance, de résistance à la fatigue, de plasticité, etc. Selon GB/T 13810-2017 « Implantation chirurgicale Traitement du titane et des alliages de titane matériaux à usage médical», si une ségrégation, des inclusions métalliques ou non métalliques et d'autres défauts métallurgiques visuellement visibles sont détectés dans la structure à faible grossissement des matériaux en alliage de titane utilisés dans les produits d'implants, le lot de produits sera jugé non qualifié. est la manifestation d'une composition inégale de micro-régions de matériaux en alliage de titane dans la structure. La plaque médicale TC4ELI est un alliage de titane biphasé de type +. Si sa composition en microrégions est inégale, cela provoquera des anomalies dans la macro et la microstructure, conduisant à des anomalies. Il existe une différence significative de dureté entre la zone normale et la zone normale, ce qui entraînera des performances globales inégales du matériau en alliage de titane, réduisant ainsi la résistance du matériau, sa durée de vie et sa plasticité, et conduisant finalement à une défaillance précoce du matériau [{{ 13}}].

Lors de l'observation à faible grossissement d'une certaine plaque médicale en alliage de titane TC4ELI, une zone anormale en forme de bande d'une largeur d'environ 5 mm a été trouvée. Lorsqu’une partie de celle-ci a été interceptée et observée à faible grossissement, il a été constaté que la zone en forme de bande était une bande brillante. Afin de déterminer avec précision le type de défaut, il est nécessaire d’identifier le défaut. L'auteur a examiné et analysé les causes.

1 Essais physiques et chimiques
1.1 Examen métallographique
Utilisez Observateur. Le microscope métallographique ZEISS de type AIM a été utilisé pour effectuer un examen métallographique de la zone de bande brillante et de la zone normale de la plaque en alliage de titane TC4ELI. Comme le montre la figure 2, la zone de bande brillante est une structure équiaxiale monophasée, présentant des caractéristiques structurelles de type ségrégation, tandis que la zone normale est dans la structure d'un alliage de titane TC4ELI typique traité dans la région biphasée +, tous les joints de grains d'origine sont complètement brisés, on peut donc déterminer que la zone de bande brillante est un défaut de ségrégation.

1.2 Analyse en microscopie électronique à balayage
Le microscope électronique à balayage (MEB) à émission de champ froid JSMG6700 a été utilisé pour analyser la morphologie de la zone de bande brillante et de la zone normale de la plaque en alliage de titane TC4ELI. Comme le montre la figure 3, la structure équiaxiale monophasée dans la zone de bande lumineuse est plus claire et la zone normale montre + Les caractéristiques de la structure traitée de la zone biphasée sont cohérentes avec les résultats de l'examen métallographique, et il est en outre déterminé que la zone de bande brillante est un défaut de ségrégation.

1.3 Analyse du spectre énergétique
Le spectromètre d'énergie (EDS) fixé au microscope électronique à balayage a été utilisé pour effectuer une analyse des micro-composants sur la zone de bande brillante et la zone normale de la plaque en alliage de titane TC4ELI. Les résultats de l'analyse sont présentés dans le tableau 1. On peut voir que la teneur en vanadium dans la zone normale est légèrement supérieure à la valeur standard. De plus, le contenu des autres éléments est conforme aux exigences de la norme GB/T 3620.1-2016 « Nuances et compositions chimiques de titane et d'alliages de titane » ; les teneurs en titane, aluminium et vanadium dans la zone de la bande brillante ne se situent pas dans la plage standard et il existe une teneur évidente en titane. , pauvre en aluminium et pauvre en vanadium, et la teneur en élément oxygène est la limite supérieure de la plage standard, il est jugé que la plaque en alliage de titane TC4ELI présente des défauts de ségrégation riches en titane.

1.4 Essai de dureté
La ségrégation des alliages de titane peut être divisée en ségrégation dure (la dureté de la partie de ségrégation est supérieure à la dureté de la zone normale, également appelée ségrégation fragile) et en ségrégation douce (la dureté de la partie de ségrégation est inférieure à la dureté de la zone normale) selon la différence entre la dureté de la partie ségrégation et la zone normale. Également connue sous le nom de ségrégation non fragile). Des tests de dureté Micro-Vickers ont été effectués sur la zone de bande brillante et la zone normale de la plaque en alliage de titane TC4ELI. Les résultats mesurés étaient respectivement de 383HV et 327HV. On peut voir que la dureté de la zone de la bande lumineuse est nettement supérieure à celle de la zone normale. Le type de ségrégation dans la zone de bande lumineuse est la ségrégation fragile[11].
2 Analyse et discussion
La zone de bande brillante de la tôle en alliage de titane TC4ELI est un défaut de ségrégation. Ce défaut est provoqué par l'alliage incomplet des particules d'alliage intermédiaire. Il s'agit d'une ségrégation riche en titane, mais ce n'est pas une ségrégation riche en titane courante car la dureté de la zone de ségrégation riche en titane devrait être inférieure à la zone normale [12], et la dureté de la zone de défaut de ségrégation ( zone de bande brillante) de la tôle en alliage de titane TC4ELI est supérieure à celle de la zone normale, ce qui est cohérent avec les caractéristiques de ségrégation des éléments interstitiels. Les éléments interstitiels font spécifiquement référence à l’oxygène, au carbone et à l’azote. éléments. La teneur élevée en oxygène dans la zone du défaut de ségrégation vérifie ce résultat. L'enrichissement en éléments interstitiels augmentera la température de transformation de la phase bêta des alliages de titane, augmentera la dureté de la phase alpha et rendra le matériau cassant. En résumé, TC4ELI titane Le type de défauts de ségrégation dans les tôles d'alliage est la ségrégation des éléments riches en titane + interstitiels.
La cause de ce défaut de ségrégation est principalement liée au processus de fusion de l’alliage de titane. Le défaut de ségrégation s'est déjà formé lors de la production de lingots. À l'heure actuelle, les entreprises chinoises de production d'alliages de titane adoptent généralement la méthode de fusion au four à arc électrique des consommables par fusion sous vide en trois passes, qui est utilisée pendant le processus de préparation des électrodes. Une mauvaise utilisation peut facilement conduire à une contamination métallique ou à la formation d’oxydes et de nitrures réfractaires. Une mauvaise sélection du courant et de la tension empêchera la zone de fusion d'atteindre l'équilibre thermique pendant le processus de fusion et entraînera également des changements dans la profondeur du bain fondu, ce qui entraînera une taille de particule inégale de l'éponge de titane. La répartition inégale du mélange d'alliage maître entraînera l'enrichissement et l'épuisement des éléments d'alliage dans des zones locales du matériau, provoquant une déviation du point de transformation de phase dans cette zone. Au cours du processus de traitement à chaud ultérieur, il évoluera progressivement vers une structure anormale et formera des défauts de ségrégation. [12G18].
3 Conclusions et suggestions
Les tôles en alliage de titane TC4ELI présentent des défauts de ségrégation riches en titane + éléments interstitiels. Ce défaut est causé par la taille inégale des particules de l'éponge de titane et par la répartition inégale du mélange d'alliage intermédiaire pendant le processus de production de lingots d'alliage de titane.
Il est recommandé de réduire ou d'éliminer ces défauts en renforçant le contrôle des matières premières et des mélanges, ainsi que la sélection de la tension et du courant lors des processus de préparation et de fusion des électrodes.
les références:
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