Cơ tính của hợp kim y sinh Ti-6Al-7Nb nhiệt luyện trong chân không

Hợp kim titan Ti-6Al-7Nb ứng dụng trong ngành phẫu thuật, cấy ghép đã được nghiên cứu chế tạo tại Viện Công nghệ, Bộ Công-Thương… Kết quả nghiên cứu dưới đây cho thấy cơ tính tổng hợp tăng theo nhiệt độ nung và đạt tốt nhất khi nhiệt độ nung là 900^oC.

Mechanical properties of biomaterial alloy Ti-6Al-7Nb heat treated in vacuum

Trần Như Biên¹, Hoàng Anh Tuấn¹, Nguyễn Tiến Tài¹, Phạm Mai Khánh²
1. Viện Công Nghệ – Bộ Công Thương
2. Đại học Bách Khoa Hà Nội

Ngày nhận bài: 12/8/2014, Ngày duyệt đăng: 14/9/2014

TÓM TẮT

Hợp kim titan Ti-6Al-7Nb ứng dụng trong ngành phẫu thuật, cấy ghép đã được nghiên cứu chế tạo tại Viện Công nghệ, Bộ Công-Thương. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cơ tính hợp kim Ti-6Al-7Nb đã qua rèn-ủ. Quá trình nhiệt luyện được thực hiện trong lò chân không,nhiệt độ nung từ (700÷1000)^oC trong 1h, áp suất 8 bar. Kết quả nghiên cứu cho thấy cơ tính tổng hợp tăng theo nhiệt độ nung và đạt tốt nhất khi nhiệt độ nung là 900^oC. Sự thay đổi tổ chức tế vi theo nhiệt độ nung cũng được quan sát bằng kính hiển vi quang học.

Từ khóa: Nhiệt luyện chân không, vật liệu cấy ghép, hợp kim y sinh Ti6Al7Nb

ASBTRACT

Titanium alloy Ti-6Al-7Nb applied in surgery and implants has been studied and fabricated successfully by Research Institute of Technology for Machinery. This study presents the effect of treatment temperature on mechanical properties of the forged Ti-6AL-7Nb alloy in vacuum furnace. The solution treatments are realized at different temperatures (700÷1000)^oC for one hour and in a vacuum of 8 bar. The results showed that the mechanical properties increase in accordance with heating treatment temperature and achieved the best value at 900°C.Changes in the microstructure were also observed by optical microscopy.

Keywords: Vacuum heat treatment furnace, implant material, Ti-6Al-7Nb alloy

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Titan và hợp kim của nó có những tính chất đặc biệt như: độ bền riêng cao, khả năng chống ăn mòn – mài mòn cao, sự tương thích sinh học và tương hợp xương (biocompatibility, osseointegration) khá tốt. Vì vậy, hợp kim đã được ứng dụng rộng rãi làmvật liệu y sinh [1, 2]. Khả năng ứng dụng của hợp kim phụ thuộc vào cấu trúc của nó. Tổ chức titan và hợp kim titan gồm: pha α có kiểu mạng lục giác xếp chặt và tồn tại dưới nhiệt độ 882^oC, pha có kiểu mạng lập phương tâm khối (tại nhiệt độ lớn hơn 882^oC) và dạng hỗn hợp (α + β) [3]. Sự kết hợp giữa pha α và pha β làm cho hợp kim có được tính chất tối ưu của cả hai loại hợp kim trên. Hợp kim chứa (α + β) có thể thay đổi cơ tính bằng nhiệt luyện và xử lý cơ – nhiệt [4]. Ngoài ra, với cấu trúc (α + β), hợp kim titan có tính chống ăn mòn tốt hơn dạng β sau khi xử lý nhiệt [5]. Do đó, chúng được ứng dụng rộng rãi hơn hợp kim dạng đơn pha α và β.

Hợp kim titan Ti-6Al-7Nb là hợp kim điển hình chứa (α + β). Nó được ứng dụng trong nha khoa và phẫu thuật cấy ghép bởi tính có cơ tính phù hợp và đặc biệt là tính tương thích sinh học [6, 7]. Trong hợp kim Ti-6Al-7Nb, nguyên tố Nb có kiểu mạng lập phương tâm khối, tương tự pha β của titan. Khi được hợp kim hóa nguyên tố Nb mở rộng và ổn định vùng pha β tới (10÷12) % của hợp kim Ti-6Al-7Nb ở nhiệt độ thường.

Sau đúc, hợp kim Ti-6Al-7Nb có tổ chức điển hình (αTi) + β. Chúng có dạng tấm ? và tấm β đan xen vào nhau. Tổ chức này có độ cứng cao và tính giòn.

Sau rèn, hợp kim Ti-6Al-7Nb có tổ chức của các hạt bị biến dạng theo phương rèn [9]. Hơn nữa, trong hợp kim tồn tại ứng suất dư. Do đó, hợp kim titan Ti-6Al-7Nb rèn không phù hợp cho ứng dụng trong phẫu thuật cấy ghép. Chúng phải được xử lý nhiệt trước khi ứng dụng mục đích y sinh. Phương pháp xử lý nhiệt thích hợp trong trường hợp này là tôi. Việc lựa chọn nhiệt độ tôi hoặc ủ dựa trên giản đồ pha 3 nguyên Ti-Al-Nb, (hình 1) [8, 9].

Ở 1000^oC (hình 1b), pha αTi chuyển thành βTi, hợp kim chỉ có pha (Ti, Nb). Khi được làm nguội nhanh từ nhiệt độ cao, pha β tạo thành pha mactenx-it làm tăng tính chất cơ học của hợp kim [10].

Do có hoạt tính hóa học rất mạnh, ở nhiệt độ cao, Ti phản ứng mạnh với hầu hết các chất khí, ví dụ như oxy, nitơ và hyđro. Để hạn chế sự oxy hóa, các hợp kim Ti cần được xử lý trong môi trường khí trơ hoặc trong chân không. Trong nghiên cứu này, hợp kim Ti-6Al-7Nb được nhiệt luyện trong lò chân không, ở nhiệt độ (700÷1000)^oC. ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tổ chức và cơ tính hợp kim sẽ được phân tích và đánh giá ở phần dưới.

2. THỰC NGHIỆM

Các mẫu thí nghiệm được chế tạo từ hợp kim titan Ti-6Al-7Nb đã được nghiên cứu chế tạo thành công trong tại Viện Công nghệ, Bộ Công – Thương [11]. Hợp kim Ti-6Al-7Nb có thành phần: 6,1 % Al; 7,24 % Nb; 0,08 % C; 0,2 % O; 0,5 % Ta, 0,05 % N; 0,25 % Fe và Ti còn lại [11]. Hợp kim sau đúc, được cán thô và rèn-dập tạo hình thành sản phẩm dạng thanh, sau đó ủ khử ứng suất ở 500^oC  – 1h [12].

Trong nghiên cứu này, thực hiện xử lý nhiệt mẫu hợp kim Ti-6Al-7Nb  đã  qua  rèn-dập và ủ khử  ứng suất. Mẫu thử kéo được gia công  cơ khí thành các thanh  tròn 8 x 30 mm (hình 2). Sau  đó, mẫu được nung  ở  700,  800,  900  và 1000^oC  trong  lò  chân không,  thời gian giữ nhiệt 1h, áp suất lò là 8 bar và được làm nguội bằng nitơ lỏng. Tổ chức tế vi của các mẫu cứu được quan  sát trên kính hiển vi quang học Axiovert 40. Sự thay đổi cơ tính được đánh giá qua độ cứng  Vicker, mođun đàn hồi, độ bền kéo và độ dãn dài.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Độ cứng

Biểu đồ so sánh độ cứng  của  mẫu đúc và mẫu rèn-ủ được trình bày trong hình 3. Độ cứng mẫu đúc đo được là 577 HV. Sau  khi rèn-ủ, độ cứng  của  hợp kim giảm xuống chỉ còn 253 HV. Sự thay đổi độ cứng theo chế độ tôi của các mẫu hợp kim titan Ti-6Al-7Nb được trình bày trong hình 4.

Độ cứng của mẫu tôi tăng dần khi được tôi ở (700÷900)^oC và tăng thêm không nhiều khi được tôi tại 1000^oC. So sánh với mẫu rèn – ủ, khi được tôi ở 700^oC độ cứng chỉ tăng 4,3%. Tuy nhiên, hợp kim Ti-6Al-7Nb khi được nung tôi ở 1000^oC và nguội nhanh bằng nitơ lỏng trong lò chân không, có độ cứng lớn nhất là 335 HV (tăng 32,4% so với mẫu ở chế độ rèn-ủ).

3.2. Độ bền

Bảng 1. Cơ tính hợp kim Ti-6Al-7Nb

Mẫu Ti-6Al-7Nb	Giới hạn bền kéo (MPa)	Độ giãn dài (%)	Modun đàn hồi (GPa)
Mẫu rèn – ủ	896	20	131
Tôi 700oC	940	15	117
Tôi 800oC	989	12,5	109
Tôi 900oC	1054	10	102
Tôi 1000oC	1061	6,7	97

Trong bảng 1 và hình 4 trình bày sự thay đổi giới hạn bền kéo, độ giãn dài và môđun đàn hồi theo nhiệt độ tôi của hợp kim Ti-6Al-7Nb. Kết quả phân tích cho thấy, giới hạn bền kéo tăng dần theo nhiệt độ tôi. Lấy mẫu rèn – ủ để so sánh thì độ tăng tương ứng ở các nhiệt độ 700, 800, 900 và 1000^oC lần lượt là: 4,9; 10,3; 17,6 và 18,4%. Ngược lại, độ giãn dài giảm dần theo nhiệt độ nung. Sự giảm tương ứng theo nhiệt độ là: 25; 37,5; 50 và 66%. Mặt khác, mođun đàn hồi cũng giảm theo nhiệt độ tôi, và có giá trị gần với tiêu chuẩn ASTM F1295 khi tôi ở nhiệt độ 900^oC.

Cơ tính của hợp kim Ti-6Al-7Nb quyết định bởi hình dáng, kích thước của pha α, β và tỷ phần pha α/β có trong hợp kim. Bằng xử lý nhiệt, các yếu tố đó có thể kiểm soát, và làm thay đổi cơ tính của hợp kim. Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi đến sự thay đổi tổ chức tế vi sẽ được thảo luận chi tiết.

3.3. Tổ chức tế vi

Hợp kim Ti-6Al-7Nb được đặc trưng tổ chức (α + β), trong đó pha chiếm (10÷12) % [10]. Các pha và pha có dạng tấm song song và tổ chức Widmanstatten, do đó hợp kim có tính cứng và giòn. Khi được rèn, các hạt α và β bị gẫy nhỏ. Sau khi ủ, cơ tính của hợp kim giảm và độ giãn dài tăng.

Hình 5 trình bày ảnh tổ chức tế vi của các mẫu hợp kim Ti-6Al-7Nb được tôi ở nhiệt độ (700÷1000)^oC và được so sánh với mẫu đúc (hình 5a) [11] và mẫu rèn (hình 5b). Sau đúc tổ chức hợp kim có dạng tấm và Widmanstatten [1]. Khi được rèn, hợp kim có tổ chức rèn điển hình (hình 5b).

Sau rèn, pha α có màu sáng với kích thước hạt khoảng (7÷18) μm và có dạng đẳng trục. Các hạt pha β (màu tối) đã bị vỡ vụn (so với trạng thái đúc), có kích thước (2÷5) m, sắp xếp song song theo phương rèn.

Nung tôi ở các nhiệt độ (700÷800)^oC và giữ trong 1h, tổ chức hợp kim hầu như chưa có thay đổi đáng kể so với tổ chức hợp kim sau rèn (hình 5c và 5d). Tuy nhiên, đã có sự lớn lên của pha β với kích thước (4÷7) μm, pha á không thay đổi.

Do nhiệt độ tôi nhỏ hơn nhiệt độ chuyển pha β (882^oC), nên không có chuyển pha. Độ cứng của hợp kim được quyết định bởi tổ chức ban đầu – tổ chức sau rèn. Trong khoảng nhiệt độ này, độ cứng tăng rất ít khoảng 36 HV (14%).

Khi được tôi ở các nhiệt độ 900 và 1000^oC (hình 3e và 3f), không còn tổ chức rèn. Pha β bắt đầu phân bố lại ở biên giới hạt, còn pha α kết tinh lại trở nên
đều trục. Các hạt pha α có kích thước khoảng (8÷18) μm và các hạt pha β với kích thước khoảng (7÷9) μm. Tuy nhiên, thời gian nung 1h chưa đủ để pha α có thể tạo thành mactensit hình kim khi làm nguội [6].

Nung tôi ở nhiệt độ 900 và 1000^oC, lớn hơn nhiệt độ chuyển pha của β, bắt đầu xuất hiện các pha β thứ cấp (βTi) tiết ra trong quá trình nung. Các pha β thứ cấp khi làm nguội nhanh chính là β mactensit, là pha hóa bền của hợp kim. Do đó,
độ cứng của hợp kim Ti-6Al-7Nb có xu hướng tăng lên so với mẫu rèn. Ngoài ra, độ cứng của hợp kim Ti-6Al-7Nb được quyết định bởi tỷ phần pha α/β có trong hợp kim. Tuy nhiên lượng Nb có trong hợp kim giới hạn sự tồn tại của pha β, nên cơ tính của hợp kim chỉ tăng có giới hạn (độ cứng tăng khi tôi ở 900^oC và không tăng khi tôi ở 1000^oC).

4. KẾT LUẬN

Hợp kim Ti-6Al-7Nb sau khi tôi có tổ chức (α + β), hình dáng của pha và có dạng đẳng trục.

Độ cứng hợp kim tăng dần khi tôi từ nhiệt độ 700 đến 900^oC (giữ 1h và nguội nhanh bằng nitơ lỏng trong lò chân không). Độ cứng đạt lớn nhất là 335 HV
khi tôi ở 1000^oC.

Modun đàn hồi đạt 102 GPa khi nung ở 900^oC, gần với tiêu chuẩn cho phép của mác hợp kim này.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. M.Bermingham,S.McDonald, M. Dargusch, Microstructure of cast titanium alloys, Materials Forum, Vol. 31, 2007, p. 84-89
2. C.Leyens, M. Peters, Titanium alloys, Fundamentals and applications, WileyVerlag GmbH & Co. KgaA, Weinheim, Germany, 2003
3. Mitsuo Niinomi, Mechanical properties of biomedical titanium alloys, Materials Science and Engineering, A243, 1998,p231–236
4. M. Peters, el et., Titanium and Titanium Alloys, Wiley-VCH, 2003, p. 1–57
5. Thair Mudali, Influence of microstructural changes on corrosion behaviour of thermally aged Ti-6Al-7Nb alloy, Materials and Corrosion,No. 5, 2004, p55.
6. Sami Abualnoun Ajeel, Thair L. Alzubaydi, Abdulsalam K. Swadi, Influence of heat treatment conditions on microstructure of Ti-6Al-7Nb alloy as used surgical implant materials, Eng. & Technology, Vol.25, Suppl.of No.3, 2007
7. Leitao E.Sac, Silva R.A and Barbosa M. A,Electrochemical and surface modification on N ion implanted Ti-5Al-2.5Fe immersed in HBSS, Corr.Sci,Vol.39, 1997, p. 377-383.
8. J. Lindemann, L. Wagner, Microtextural effects on mechanical properties of duplex microstructures in (α + β) titanium alloys, Materials Science and Engineering, A263, 1999, p. 137–141
9. V.T. Witusiewicz, A.A. Bondar, U. Hecht, and T.Ya.Velikanova, The Al-B-Nb-Ti System IV. Experimental study and thermodynamic reevaluation of the binary system Al-Nb and Al-Nb-Ti systems, J. Alloys Compd., 2009, 472, p 133-161
10. Semlitsch M., etal., Titanium-Aluminum-Niobium alloy development for biocompatible high strength surgical implants, Sonderduck aus Biomedizinisch Technik 30, 1985, 12, S. 334-339
11. Hoàng Anh Tuấn, Trần Như Biên, Nguyễn Tiến Tài, Phạm Mai Khánh, Chế tạo vật liệu y sinh Ti-6Al-7Nb trong lò cảm ứng chân không, Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, Hội Khoa học – kỹ thuật Đúc – Luyện Kim, số 55, 8/2014, trang 35-41
12.  Matthew J. Donachie, Titanium: A technical guide, 2nd edition, 2000, p. 58