Ti si aliajele pe baza de Ti

Ti si aliajele pe baza de Ti

Incercari de a folosi titanul in fabricarea implanturilor dateaza din anii 1930. S-a descoperit ca titanul era tolerat in femurul pisicii, la fel cum erau si otelurile inoxidabile si Vittallium (aliaj CoCrMo). S-a descoperit ca titanul era tolerat in femurul pisicii, la fel cum erau si otelurile inoxidabile si Vittallium (CoCrMo). Faptul ca este un material usor (4,5 g/cm³ comparat cu 7,9 g/cm³ pentru tipul 316, 8,3 g/cm³ pentru CoCrMo turnat si 9,2 g/cm³ pentru aliajul CoNiCrMo forjat) si proprietatile mecano-chimice sunt caracteristici necesare realizarii implanturilor.

Compozitiile titanului si aliajelor pe baza de titan

Exista patru tipuri de titan nealiat pentru aplicatiile implanturilor chirurgicale (Tabelul 5-5). Titanul contine mai multe impuritati dar, oxigenul, fierul si azotul sunt controlate foarte strict. Oxigenul are o mare influenta asupra ductilitatii si rezistentei titanului. In functie de gradul de impurificare avem grad 1 (Ti 1), grad 2 (Ti 2) etc.

Unul dintre aliajele titanului (Ti 6Al 4V) este foarte des folosit in fabricarea implanturilor, iar compozitia chimica este prezentata in Tabelul 5-5. Principalele elemente ce intra in alcatuirea acestui aliaj sunt aluminiul (5,5-6,5 % greutate) si vanadiul (3,5-4,5 %) plus impuritati.

^aAluminiul 6,00%(5.50-6,50), Vanadiul 4,00%(3,50-4,50), alte elemente 0,1% max. sau 0,4% in total.

Structura si proprietatile Ti si ale aliajelor pe baza de Ti

Titanul este o substanta alotropica care se gaseste intr-o structura hexagonala foarte restransa (compacta) (α-Ti) pana la 882°C si intr-o structura cubica centrata (β-Ti) peste aceasta temperatura.

Figura 5-5. Diagrama partiala de faze Ti-Al-4V ;

(Dupa C.J.E. Smith &A.N.Hughes, The Corrosion Fatigue Behavior of a Ti-6%Al-4%V Alloy, Eng.Med.,7, 158-171, 1966).

Adaugarea de elemente in aceste aliaje alaturi de titan il ajuta pe acesta sa capete o varietate de proprietati :

1. Aluminiul tinde sa stabilizeze faza α, adica sa mareasca temperatura de transformare de la faza α la   β (Figura 5-5).

2. Vanadiul stabilizeaza faza β coborand temperatura de transformare de la α la β.

Aliajele au o microstructura monofazica (Figura 5-6.a), avand drept caracteristica pregnanta capacitatea de a fi sudate. Capacitatea de stabilizare a acestor substante bogate in aluminiu din acest grup de aliaje se finalizeaza intr-o duritate excelenta si o rezistenta la oxidare la temperaturi ridicate (300-600°C). Aceste aliaje nu pot fi tratate la cald in scopul durificarii, deoarece sunt monofazice.

Figura 5-6. Microstructura aliajelor de Ti (500x). (a) aliaj a-Ti recopt, (b) Ti 6Al 4V, aliaj a recopt,

(c) aliaj -Ti recopt. (Dupa G.H.Hille, Titanium for Surgical Implants, J.Mater, 1, 373-383,1966).

Adaugarea unei cantitati controlate de elemente stabilizatoare β face ca faza β superioara sa reziste transformarilor de temperatura, ceea ce se realieaza intr-un sistem bifazic. precipitatele fazei β vor aparea in urma tratarii la cald la temperatura de calire a solutiei solide, urmata de imbatranire (durificare prin precipitare) la o anumita temperatura joasa. Ciclul de imbatranire determina precipitarea unor particule fine din metastabilul β ce intersecteaza structura α, care este mult mai rezistenta decat structura recoapta α- , (Figura 5-6.b). Un procentaj mai mare de elemente stabilizatoare (13% greutate V in aliajul Ti₁₃V₁₁Cr₃Al) da nastere unei microstructuri predominant β care poate fi durificata prin tratament termic, (Figura 5-6.c).

Proprietatile mecanice ale titanului pur comercial si ale aliajului Ti 6Al 4V sunt date in tabelul 5-6. Coeficientul de elasticitate al acestor materiale este de 110 GPa, ceea ce este jumatate din valoarea celui din cazul aliajelor Co-Cr. Din Tabelul 5-6 se poate observa continutul ridicat de impuritati care induce la o rezistenta ridicata si o ductilitate redusa. Rezistenta materialului variaza de la o valoare mult mai scazuta decat cea in cazul tipului de aliaj 316 sau al aliajelor pe baza de Co, pana la o valoare aproape egala cu cea a aliajului 316 normalizat sau al aliajului turnat CoCrMo. Cu toate acestea, atunci cand este comparat din punct de vedere al rezistentei specifice (rezistenta/densitate), aliajul de titan exceleaza peste toate celelalte materiale folosite la realizarea implanturilor, ca in Figura 5-7. Astfel, titanul are o rezistenta de marginire scazuta, facandu-l indesirabil pentru implanturile de suruburi osoase, placi osoase si alte aplicatii similare.

Figura 5-7. Raportul rezistenta/densitate pentru materialele de implanturi.

(Dupa G.H.Hille, Titanium for Surgical Implants, J.Mater, 1, 373-383,1966).

Tabelul 5-6. Proprietatile mecanice ale Ti si ale aliajelor pe baza de Ti

Titanul datoreaza rezistenta sa la coroziune formarii unui strat de oxid solid. In conditii in vivo, oxidul (TiO₂) este singurul produs de reactie stabil. Stratul de oxid formeaza un invelis subtire aderent care ajuta la pasivizarea materialului. Rezistenta la coroziune va fi discutata in capitolul 5.6.

Fabricarea implanturilor din Ti

Titanul este puternic reactiv la temperaturi mari si arde imediat in prezenta oxigenului. De aceea, este nevoie de un mediu inert pentru ca prelucrarea la temperaturi mari sa aiba loc, sau poate fi prelucrat prin topirea prin absorbtie. Oxigenul difuzeaza rapid in titan, iar oxigenul dizolvat face ca metalul sa devina sfaramicios. prin urmare, orice proces de topire la temperaturi mari sau forjare ar trebui realizate la temperaturi mai mici de 925°C. Prelucrarea la temperatura camerei nu este intotdeauna o solutie pentru aceste probleme, deoarece materialul tinde sa strice si sa rupa instrumentele de taiere. Uneltele foarte ascutite cu viteza mica si lame mari sunt folosite pentru a micsora acest efect. Prelucrarea electrochimica este un mijloc interesant, de altfel.