Tag: Induction heating

The fabrication process of TiAl6Nb7 applied for bone-reinforcement implants

NGUYỄN TIẾN TÀI^1,*, HOÀNG ANH TUẤN¹, NGUYỄN HỒNG HẢI², LÊ THỊ HỒNG NHUNG³, NGÔ DUY THÌN³
1 Viện Công nghệ, TCT Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam, Bộ Công-Thương
² Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
³ Trường Đại học Y Hà Nội
*Email: tainvcn@gmail.com

Ngày nhận bài: 2/5/2020, Ngày duyệt đăng: 14/8/2020

TÓM TẮT

Hợp kim titan là một trong những nhóm vật liệu khó chế tạo và gia công do titan là nguyên tố có hoạt tính cao với oxy, nitơ và hyđro ở nhiệt độ cao. Đặc biệt, đối với điều kiện trang thiết bị ở Việt Nam thì việc gia công biến dạng nóng trong điều kiện chân không gần như là không thể. Trong nghiên cứu này biến dạng hợp kim titan TiAl6Nb7 được gia công trong điều kiện môi trường áp suất khí quyển, sử dụng phương pháp nung cảm ứng trong khoảng thời gian rất ngắn, do đó hạn chế được sự oxy hóa bề mặt vật liệu trong quá trình biến dạng nóng. Phôi sau đó được dập nguội bao hình, gia công hoàn thiện và làm sạch. Sản phẩm nẹp và vít được chế tạo từ vật liệu TiAl6Nb7 đã được thử nghiệm lâm sàng diện hẹp (cấy ghép cho 30 bệnh nhân trong khoảng thời gian 180 ngày). Kết quả cho thấy vật liệu đạt tiêu chuẩn ISO 10993 về an toàn sinh học.

Từ khóa: Nung cảm ứng, biến dạng nóng, vật liệu cấy ghép, hợp kim y sinh TiAl6Nb7

ABSTRACT

Titanium alloys are difficult to melt and deform because of the strong reaction between titanium and gases such as oxygen, nitrogen and hydrogen under high temperature condition. Especially in Vietnam, it is difficult to imple- ment the hot deformation in the vacuum because of the limit of equipment. In this research, TiAl6Nb7 alloy was hot- deformed in the atmospheric environment by induction heating for reducing the oxidation of the surface. After that, the TiAl6Nb7 sample was cold-stamped, machined for creating the bone-reinforcement implants. These implants were used in the local clinical trials for 30 patients in 180 days. All trail results meet the ISO 10993 requirements.

Keywords: Induction heating, hot deformation, implant material, TiAl6Nb7

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Titan và họ hợp kim titan là vật liệu có nhiều tính chất ưu việt hơn so với kim loại khác như độ bền cao, tỷ trọng thấp và khả năng chống ăn mòn cao nên thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, ô tô, thể thao và đặc biệt là ngành y học [1–4]. Ứng dụng thương mại của Ti bắt đầu từ cuối những năm 40, chủ yếu là vật liệu kết cấu, và được ứng dụng làm vật liệu y sinh từ những thập niên 60 [5]. Với khả năng tương thích sinh học cao, hợp kim Ti6Al4V đã được nghiên cứu ứng dụng khá sớm trong y khoa như làm mô chốt cấy (implant). Tuy nhiên, một số nghiên cứu gần đây chỉ ra ảnh hưởng không tốt của vanađi tới sức khỏe người. Kết quả thực nghiệm cho thấy, sau khi được cấy ghép vào cơ thể người các ion vanađi thôi ra có tác động xấu đến hệ thần kinh người [1]. Hợp kim TiAl6Nb7 sau đó đã được nghiên cứu thay thế hợp kim Ti6Al4V với các thông số kỹ thuật cơ bản như độ bền kéo, môđun đàn hồi và tổ chức tế vi là (α+β) khá tương đồng.

Cho đến nay, hợp kim TiAl6Nb7 vẫn tiếp tục được nhiều nước nghiên cứu và phát triển với nhiều phương pháp khác nhau nhằm đạt được tổ chức và tính chất mong muốn, đặc biệt là phương pháp biến dạng nóng [5–11]. Tác giả F. Pilehva cùng đồng nghiệp [5] khảo sát khả năng biến dạng của vật liệu TiAl6Nb7 có tổ chức tế vi khác nhau như song pha (α+β) và đơn pha β bằng cách biến dạng ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả cho thấy việc xử lý ở nhiệt độ trên 1000 ^oC cho tổ chức pha β mềm hơn và dễ biến dạng hơn. Với nhiệt độ thấp hơn (khoảng 850-950 ^oC) và tốc độ biến dạng chậm thì tổ chức vật liệu từ dạng (α+β) chuyển thành tấm α bị uốn/xoắn và tổ chức song pha (α+β) dạng cầu. Tác giả S. A. Gabitova [6] công bố đã tạo ra tổ chức siêu mịn bằng cách biến dạng hợp kim TiAl6Nb7 nhiều lần, nhờ đó nâng cao được bộ bền mỏi của vật liệu.

Trên cơ sở tham khảo một số nghiên cứu về biến dạng nóng hợp kim TiAl6Nb7, đã khảo sát công nghệ biến dạng nóng để chế tạo vật liệu TiAl6Nb7 tại Viện Công nghệ, Bộ Công-Thương. Trong bài báo này, nhóm nghiên đã biến dạng nóng bằng cách nung phôi trong khoảng thời gian rất ngắn ở lò nung cảm ứng. Vật liệu sau biến dạng được sử dụng để gia công và chế tạo một số sản phẩm y sinh như nẹp/ vít xương phục vụ cho thử nghiệm lâm sàng do trường Đại học Y Hà Nội thực hiện.

2. THỰC NGHIỆM

Sơ đồ chế tạo và thử nghiệm hợp kim cho trên hình 1. Hợp kim TiAl6Nb7, được nấu luyện trong lò chân không VIM02 (CHLB Đức) với điều kiện như sau:

• Môi trường chân không: 10^-2mbar,
• Áp suất khí trơ Ar cân bằng trong buồng lò: 700 mbar,
• Nhiệt độ hợp kim hóa hoàn toàn: 1800 ^oC,
• Công suất 30 % trong khoảng thời gian 30 giây.

Thành phần hoá học của hợp kim TiAl6Nb7 được nêu trong bảng 1. Các nguyên tố tạp chất như oxy, cacbon,… phải nhỏ hơn mức cho phép và tổng số lượng tạp chất phải nhỏ hơn 1,08 % (0,2 đối với khí O và 0,05 đối với khí N).

Trong nghiên cứu này, hợp kim titan được biến dạng nóng trong môi trường khí quyển, bằng lò nung cảm ứng SWS-85D (Trung Quốc), công suất 90 kW. Phôi được nung trong vòng cảm ứng với khoảng thời gian khác nhau: 5, 10, 15, 20, 22, 25, 27 và 30s; nhiệt độ đo bằng dụng cụ đo nhiệt độ không tiếp xúc WTG-1810 và sau đó gia công biến dạng. Phôi sau khi biến dạng nóng được ủ khử ứng suất, gia công CNC hoàn thiện và làm sạch chi tiết. Chi tiết cấy ghép sau đó được thử nghiệm an toàn sinh học và lâm sàng trên 30 bệnh nhân trong khoảng thời gian 180 ngày.

Thành phần hóa học của hợp kim titan sau đúc được phân tích bằng phương pháp quang phổ phát xạ plasma cảm ứng ICP-OES (theo TCNB: 01-ICP/04) có độ chính xác cao với sai số ± 0,2 %.

Các kết quả về phân tích thành phần bằng phương pháp phổ phân tán năng lượng (EDS) cũng được sử dụng để kiểm tra phân bố thành phần mẫu trên kính hiển vi điện tử quét Jeol-2300 (JEOL, Nhật Bản). Chế độ vận hành máy như sau: điện thế 20 kV, độ phóng đại x100, dòng điện đầu dò 1 nA. Kết quả định lượng thành phần được xử lý và tính toán theo phương pháp phân tích hiệu chỉnh ZAF.

Kết quả XRD để phân tích thành phần pha của mẫu bằng thiết bị SIEMEN D5005 sử dụng đầu phát Cu-Kα (bước sóng λ= 1,54056 Å) với chế độ vận hành như sau: điện áp 40 kV, bước quét 0,03 mm, vận tốc quét 40 s/bước quét.

Mẫu thử kéo được kiểm tra theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 trên máy kéo vạn năng 100 tấn Olsen Super-L2000. Thiết bị GMBH (27607) được sử dụng để kiểm tra độ cứng sản phẩm.

Thí nghiệm đánh giá khả năng chịu ăn mòn hợp kim trong dung dịch huyết tương nhân tạo (HTNT) được bố trí theo sơ đồ mạch đo điện thế hở mạch của điện cực hợp kim titan (hình 2). Bằng điện thế kế (7) có thể duy trì giá trị điện thế không đổi trên điện cực làm việc (1) – WE (hợp kim titan) so với điện cực so sánh (2) – RE. Ở đây cần theo dõi điện thế mạch hở của điện cực làm việc theo thời gian. Điện thế kế (7) được kết nối và điều khiển bởi máy tính, các milivol kế (5,6) và điện trở mẫu (8). Các số liệu được lưu trên máy tính để tính toán. Mẫu đo là hợp kim titan TiAl6Nb7 có dạng trụ Φ8 mm. Các thanh hợp kim được cắt ngang thành các các mẫu nhỏ có chiều dài khoảng 1,5 cm. Dung dịch được sục khí N2 trước ít nhất 30 phút để giảm hàm lượng O2 hòa tan về mức nhỏ nhất. Nhiệt độ dung dịch được giữ ở 37 ± 1 ^oC và dung dịch được sục khí trong suốt quá trình thử nghiệm. Điện thế hở mạch của các mẫu hợp kim trong dung dịch HTNT và dung dịch NaCl 0,9 % được theo dõi trong thời gian 2 h.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Thành phần hóa học hợp kim

Thành phần hóa học của hợp kim TiAl6Nb7 trước khi chế tạo chi tiết cấy ghép được trình bày ở bảng 1. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim đều nằm trong giới hạn cho phép của ASTM.

So sánh với kết quả phân tích EDS cho thấy sự xuất hiện của nguyên tố tạp chất Zr, Fe và C (hình 3 và bảng 1). Nhiều nghiên cứu cho thấy Zr, Fe đều là những nguyên tố hợp kim không có độc tính về sinh học, có vai trò nâng cao tính chất của hợp kim titan. Tuy nhiên, với hàm lượng coi là rất nhỏ của các nguyên tố này trong hợp kim TiAl6Nb7 nên hầu như không ảnh hưởng đến tính chất cơ bản của vật liệu. Sự xuất hiện của tạp chất là do sự hòa tan một phần của nồi nấu trong quá trình nấu-luyện ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, hàm lượng tổng tạp chất vẫn nằm trong giới hạn cho phép của hợp kim này. Đối với các nguyên tố Ti, Al và Nb thành phần có sai lệch, tuy nhiên vẫn đạt yêu cầu của tiêu chuẩn ASTM đã đề cập ở bảng 1.

3.2. Biến dạng nóng hợp kim

3.2.1. Nghiên cứu chế độ biến dạng nóng hợp kim TiAl6Nb7

Phôi hợp kim TiAl6Nb7 được nung nóng bằng lò cảm ứng trong khoảng thời gian khác nhau. Trạng thái mẫu cán phôi được thể hiện ở bảng 2.

Từ bảng 2, thấy rằng khoảng thời gian nung tốt nhất là (20-25) giây; khi đó nhiệt độ phôi nằm trong khoảng (1000-1150) ^oC và chất lượng phôi sau biến dạng là tốt nhất. Với khoảng thời gian trên 27 giây, mẫu bị oxy hóa bề mặt cao, dẫn đến hao phí vật liệu. Nếu thời gian nung ngắn hơn 20 giây, phôi sau gia công tuy bị oxy hóa rất ít nhưng lại bị nứt vỡ và khó biến dạng (với hệ số biến dạng khoảng 20-30 %).

3.2.2. Thành phần pha hợp kim

Trên hình 4 trình bày giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của hợp kim TiAl6Nb7 sau khi gia công. Các số liệu nhiễu xạ Rơnghen được so sánh với tài liệu [7, 13, 14] và các đỉnh nhiễu xạ chính được trình bày như trong bảng 3.

Bảng 3. Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơnghen

2θ (độ)	d (Å)	βD /FWHM	(hkl)	Pha
35,21	2,55	0,264	100	α
38,06	2,36	0,183	200	α
38,72	2,33	0,274	110	β
40,16	2,24	0,260	101	α
52,79	1,74	0,234	102	α
63,11	1,47	0,256	110	α
70,28	1,34	0,388	103	α
76,04	1,25	0,311	112	α
77,39	1,23	0,455	201	α
83,16	1,16	0,552	(004)/220	α, β
86,60	1,12	0,412	202	α

3.2.3. Kết quả kiểm tra cơ tính

Kết quả thử kéo cho thấy vật liệu đạt tiêu chuẩn ISO 5832-11. Phôi gia công biến dạng sau đó được dập bao hình và gia công CNC hoàn thiện để chế tạo các sản phẩm cấy ghép.

3.3. Đo thế mạch hở – OCP

Sự biến thiên điện thế mạch hở của hợp kim TiAl6Nb7 trong dung dịch HTNT được thể hiện trên hình 5.

Sự thay đổi điện thế mạch hở phản ánh trạng thái ăn mòn của hợp kim nghiên cứu. Sự tăng điện thế về phía dương cho thấy có sự tạo thành màng thụ động, còn trạng thái ổn định của điện thế thể hiện màng thụ động đang còn nguyên vẹn và có tính bảo vệ. Nếu điện thế giảm mạnh về phía âm thì chứng tỏ có sự phá vỡ màng thụ động, hòa tan màng, hoặc không tạo thành màng trong môi trường đó [15]. Theo biểu đồ hình 5, thời gian đầu (khoảng vài phút), có sự dịch chuyển mạnh điện thế điện cực về phía dương, sau đó điện thế dần đi vào trạng thái ổn định. Sự thay đổi điện thế mạch hở thể hiện sự cạnh tranh giữa 2 quá trình tạo màng và hòa tan màng, sự cạnh tranh này kết thúc khi đạt đến điện thế tương ứng với màng bề mặt kín và đủ dày. Tốc độ biến thiên điện thế phản ánh tốc độ tạo màng oxit có giá trị rất cao trong vài phút đầu sau khi nhúng mẫu vào dung dịch, sau đó giảm dần theo thời gian và ổn định. Sự ổn định của điện thế mạch hở chứng tỏ vật liệu có tính bền vững về ăn mòn hóa học trong môi trường huyết tương nhân tạo.

341. Thử nghiệm lâm sàng

3.4.1. Kết quả gần (một tuần sau mổ)

Sau mổ sử dụng nẹp và vít titan trên 30 bệnh nhân (32 vết thương, vì 2 bệnh nhân có 2 vết thương) cho thấy: Đa số không có bệnh nhân nào bị nhiễm trùng vết mổ, có 1 vị trí kết xương bị viêm rò ngay sau mổ. Sau khi dùng kháng sinh triệu chứng đã giảm (đây là ổ xương gãy hở). Các nẹp vít cố định xương tốt, thẳng trục, không di lệch. Không có trường hợp nào phải tháo bỏ hoặc thay mới (hình 6 và 7).

3.4.2. Kết quả theo dõi xa (3-6 tháng)

Kết quả theo dõi xa, sau 3 và 6 tháng được cho trong bảng 5.

Như vậy sau 3 tháng và 6 tháng sẹo đã liền hết, nẹp cố định tốt, không trường hợp nào phải tháo bỏ, chỉnh sửa. Tất cả nẹp không bị cong, gãy. Xương thẳng trục, không bị khớp giả.

4. KẾT LUẬN

Hợp kim TiAl6Nb7 được nấu luyện trong điều kiện như sau: môi trường chân không lò là 5.10-2 mbar, áp suất khí Ar cân bằng trong buồng lò là 700 mbar, nhiệt độ hợp kim hóa hoàn toàn 1800 ^oC, giữ công suất 30 % trong khoảng thời gian 30 giây, sau đó rót trong môi trường khí bảo vệ. Hợp kim có thành phần hóa học đạt tiêu chuẩn ASTM.

Hợp kim y sinh titan TiAl6Nb7 được nung nóng bằng lò nung cảm ứng trong khoảng thời gian (20-25) giây và đạt nhiệt độ khi cán trong khoảng (1000-1150) o Hợp kim sau biến dạng có cơ tính đạt tiêu chuẩn ISO 5832-11.

Kết quả đo thế điện hở OCP của vật liệu trong dung dịch huyết tương nhân tạo cho thấy vật liệu có tính bền vững và ổn định trong môi trường này.

Chi tiết cấy ghép chế tạo bởi hợp kim TiAl6Nb7 được tiến hành thử nghiệm lâm sàng trên 30 bệnh nhân trong 180 ngày. 100 % các trường hợp được theo dõi sau 3 và 6 tháng đều có liền xương. Không có viêm xương và khớp giả. Không có trường hợp nào bị gãy, cong hoặc biến dạng trong quá trình phẫu thuật và theo dõi trên bệnh nhân. Hợp kim TiAl6Nb7 có tính tương thích sinh học tốt và phù hợp với những ứng dụng y sinh.

LỜI CẢM  ƠN

Chúng tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Chương trình Nghiên cứu ứng dụng và phát triển Công nghệ vật liệu mới thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ đã hỗ trợ ngân sách để nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ hoàn thành bài báo này.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. Niinomi, Recent research and development in metallic materials for biomedical, dental and healthcare products applications, Mater. Sci. Forum, vol. 539–543, no. PART 1, 2007, pp. 193–200, doi: 10.4028/www.scien- tific.net/msf.539-543.193.
2. Sibum, Titanium and titanium alloys – From raw material to semi-finished products, Adv. Eng. Mater., vol. 5, no. 6, 2003, pp. 393–398, doi: 10.1002/adem.200310092.
3. J. Rack and J. I. Qazi; Titanium alloys for biomedical applications, Mater. Sci. Eng. C, vol. 26, no. 8, 2006, pp. 1269–1277, doi: 10.1016/j.msec.2005.08.032.
4. Wang, The use of titanium for medical applications in the USA, Mater. Sci. Eng. A, vol. 213, no. 1–2, 1996, pp. 134–137, doi: 10.1016/0921-5093(96)10243-4.
5. Pilehva, A. Zarei-Hanzaki, S. Moemeni, and A. R. Khalesian; High-Temperature Deformation Behavior of a Ti-6Al-7Nb Alloy in Dual-Phase (α + β) and Single-Phase (β) Regions, J. Mater. Eng. Perform., vol. 25, no. 1, 2016, pp. 46–58, doi: 10.1007/s11665-015-1813-6.
6. A. Gabitova, V. V. Polyakova, and I. P. Semenova; Enhanced fatigue strength of ultrafine-grained Ti-6Al- 7Nb ELI alloy: Microstructural aspects and failure peculiarities, Rev. Adv. Mater. Sci., vol. 31, no. 2, 2012, pp. 123–128.
7. F. Barbosa and S. T. Button; Microstructure and mechanical behaviour of the isothermally forged Ti-6Al- 7Nb alloy, Proc. Inst. Mech. Eng. Part L J. Mater. Des. Appl., vol. 214, no. 1, 2000, pp. 23–31, doi: 10.1243/1464420001544708.
8. Pilehva, A. Zarei-Hanzaki, S. M. Fatemi-Varzaneh, and A. R. Khalesian; Hot Deformation and Dynamic Recrystallization of Ti-6Al-7Nb Biomedical Alloy in Single-Phase β Region, J. Mater. Eng. Perform., vol. 24, no. 5, 2015, pp. 1799–1808, doi: 10.1007/s11665-015-1468-3.
9. Bartha et al., Lattice defects in severely deformed biomedical Ti-6Al-7Nb alloy and thermal stability of its ultra-fine grained microstructure, J. Alloys Compd., vol. 788, 2019, pp. 881–890, doi: 10.1016/j.jall- com.2019.02.173.
10. S. Lee and C. W. Chen; Impact deformation and dislocation substructure of Ti-6Al-7Nb biomedical alloy, Appl. Mech. Mater., vol. 566, 2014, pp. 292–297, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.566.292.
11. Janeček et al., Mechanical properties and dislocation structure evolution in TiAl6Nb7 alloy processed by high pressure torsion, Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci., vol. 45, no. 1, 2014, pp. 7–15, doi: 10.1007/s11661-013-1763-2.
12. ISO 5832-11, Implants for Surgery-Metallics Materials, Part II Wrought Titanium-6Aluminium-7Niobium Alloy, in International Organnization for Standardzation, .
13. Thair, U. K. Mudali, R. Asokamani, and B. Raj; Influence of microstructural changes on corrosion behav- iour of thermally aged Ti-6Al-7Nb alloy, Mater. Corros., vol. 55, no. 5, 2004, pp. 358–366, doi: 10.1002/maco.200303724.
14. Thair, U. K. Mudali, N. Bhuvaneswaran, K. G. M. Nair, R. Asokamani, and B. Raj; Nitrogen ion implanta- tion and in vitro corrosion behavior of as-cast Ti-6Al-7Nb alloy, Corros. Sci., vol. 44, no. 11, 2002, pp. 2439–2457, doi: 10.1016/S0010-938X(02)00034-3.
15. M. Al-Mayouf, A. A. Al-Swayih, N. A. Al-Mobarak, and A. S. Al-Jabab; The effect of fluoride on the elec- trochemical behavior of Ti and some of its alloys for dental applications, Mater. Corros., vol. 55, no. 7, 2004, pp. 524–530, doi: 10.1002/maco.200303770.