علاوه بر عناصر آلیاژی آلومینیوم و وانادیوم، عناصر بینابینی نیتروژن، اکسیژن، کربن و هیدروژن نقش بسیار مهمی در تعیین خواص تیتانیوم گرید 23 دارند. میزان عناصر بینابینی در آلیاژ تیتانیوم گرید 23، به گونهای است که موجب بهبود چقرمگی و پتانسیل کششی آن میشود و همچنین برا قابلیت ماشنیکاری نیز تأثیر مثبتی میگذارد.
مقاومت به خوردگی تیتانیوم پزشکی گرید 23
همانطور که پیشتر نیز ذکر شد، تشکیل لایه اکسیدی تأثیر به سزایی در مقاومت به خوردگی آلیاژ تیتانیوم گرید 23 دارد. این لایه اکسیدی در اتمسفر و محیطهای حاوی اکسیژن، ایجاد میشود و ضخامت آن تقریباً از 1 تا 2 نانومتر کمتر است. البته ضخامت لایه اکسیدی تشکیل شده را میتوان با اکسیداسیون آندی به طور قابل توجهی افزایش داد.
آلیاژ Titan grade 23 میتواند در حمامهای اسید اکسیدکننده مثل فسفریک اسید (H3PO4) و سولفوریک اسید (H2SO4) به راحتی تحت اکسیداسیون آندی قرار بگیرد. لایههای اکسیدی ضخیم تیتانیوم اکسید (TiO2) که در اثر اکسیداسیون آندی به وجود میآیند، در بهبود خواص گلایدینگ (Gliding) موثر هستند. این لایهها همچنین در بهبود مقاومت سایشی و مقاومت در مقابل خوردگی فرسایشی نیز تأثیر مثبتی دارند.
خاصیت زیستسازگاری تیتانیوم پزشکی گرید 23
یکی از مهمترین ویژگیهای تیتانیوم گرید 23 که تأثیر بهسزایی در افزایش کاربردهای پزشکی آن دارد، خاصیت زیستسازگاری مناسب است. این ویژگی به دلیل ظرفیت و قابلیت آلیاژ برای تشکیل خود به خودی لایه Passive اکسیدی (TiO2) میباشد که در حضور اکسیژن رخ میدهد. البته این لایهها همانطور که قبلا بیان شد، ضخامتی کمتر از 1 تا 2 نانومتر دارند. تولید لایههای ضخیمتر در اثر اکسیداسیون آندی موجب بهبود خاصیت زیستسازگاری و مقاومت در برابر خوردگی میشود.
تردی هیدروژنی تیتانیوم گریدپزشکی
هیدروژن به آسانی میتواند در تیتانیوم نفوذ کند و باعث پدیده مخرب تردی هیدروژنی شود. به همین دلیل باید به هر طریقی از ایجاد آلودگیهای H2 در آلیاژهای تیتانیوم از جمله گرید 23، جلوگیری نمود. منابع آلودگی H2 برای آلیاژهای Ti، غالباً اتمسفرهای محافظ، واکنشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی تولیدکننده H2 هستند.
تفاوت و شباهت تیتانیوم گریدپزشکی 23 و گرید 5
تیتانیوم گرید 5 یا
Ti-6Al-4V پرکاربردترین آلیاژ تیتانیوم در جهان است و به دلیل چگالی پایینش (
g/cm343/4) جزو آلیاژهای سبک قرار دارد. وجود ویژگیهایی همچون استحکام بالا در کنار چگالی کم و مقاومت به خوردگی عالی، موجب شده تا قطعات جنس تیتانیوم کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف داشته باشند. تیتانیوم و آلیاژهای آن از سال 1950 تاکنون، با موفقیت در صنایع هوافضا و اتومبیل مورد استفاده قرار گرفتهاند. یکی دیگر از ویژگیهای برجسته تیتانیوم، ضریب انبساط حرارتی آن است. همچنین با توجه به خاصیت زیستسازگار بودن تیتانیوم، امکان استفاده از آن در تکنولوژیهای پزشکی نیز وجود دارد.
آلیاژ تیتانیوم گرید 23 یکی از بهترین گزینهها برای کاربردهای پزشکی محسوب میشود و وقوع اکسیداسیون آندی در آن میتواند به بهبود خاصیت زیستسازگاری، کمک کند.
آلیاژ تیتانیوم گرید 23 نسبت به گرید 5، میزان عناصر بینابینی آهن و اکسیژن کمتری دارد. این آلیاژ یک گزینه عالی برای ساخت ایمپلنتهای مفصل ران و ایمپلنتهای دندانپزشکی است.
وجود درصد کمتری از اکسیژن در تیتانیوم گرید 23 موجب شده تا این آلیاژ قابلیت شکلپذیری و انعطافپذیری بهتری نسبت به گرید 5 داشته باشد و از طرفی تافنس یا چقرمگی و قابلیت ماشینکاری آن هم بهبود یابد. با این وجود برخی خواص مکانیکی گریذ 23 در مقایسه با گرید 5، ضعیفتر است. آلیاژ Ti-6Al-4V Eli
به نوعی گونه خالصتر آلیاژ تیتانیوم گرید 5 محسوب میشود.
بررسی ریزساختار تیتانیوم پزشکی گرید 23
آلیاژ تیتانیوم گرید 23 مانند تیتانیوم گرید 5، از نوع آلفا-بتا است. آلفا و بتا، فازهای تیتانیوم محسوب میشود که هر کدام در محدوده دمایی مشخصی پایدار هستند. در تیتانیومهای خالص تجاری گرید 1تا 4، فلز دارای تنها یک فاز است. اما آلیاژهای تیتانیوم میتوانند به صورت تکفاز و یا دو فاز باشند.
به طور کلی در دمای تقریباً بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد، فاز بتا در ساختار تیتانیوم پایدار است. این فاز دارای ساختار شبکهای bcc میباشد. در دمای کمتر از 1000 درجه سانتیگراد، فاز آلفا با شبکه هگزاگونال یا hcp، پایداری دارد.
عناصر آلیاژی در آلیاژهای تیتانیوم میتوانند نقش مهمی بر ریزساختار بگذارند. به طور مثال عناصری مثل کروم، نئوبیوم، مس، آهن، مولیبدن، تانتالیوم و البته وانادیوم، میتوانند به پایداری فاز بتا کمک کنند. این اتفاق به دلیل کاهش دمای استحاله تبدیل آلفا به بتا رخ میهد. از طرفی عناصر آلیاژی مثل آلومینیوم و عناصر بینابینی نظیر اکسیژن، نیتروژن و کربن، در پایداری فاز آلفا موثر هستند، زیرا دمای استحاله تبدیل آلفا به بتا را افزایش میدهند.
در آلیاژهای با ریزساختار آلفا-بتا نظیر تیتانیوم گرید 23 افزودن کنترل شده مقداری از عناصر پایدارکننده بتا، موجب کاهش دمای استحاله آلفا به بتا میشود و آن را تا دمای اتاق پایین میآورد. در نتیجه سیستم شامل دو فاز آلفا و بتا خواهد بود. این اتفاق با حتی مقدار اندکی از عناصر پایدارکننده فاز بتا امکانپذیر است. در آلیاژ تیتانیوم گرید 23، مقدار 5/3 تا 5/4 درصد وانادیوم وجود دارد که میزان قابل توجهی محسوب میشود.
به طور کلی آلیاژهای آلفا-بتا شامل مقدار زیاد از عناصر پایدارکننده آلفا و مقدار اندک از عناصر پایدار کننده بتا هستند. به همین دلیل به آنها آلیاژهای شبه آلفا نیز میگویند.
استحکام بخشی آلیاژ تیتانیوم پزشکی گرید 23
در صورتی که میزان افزودنیهای پایدارکننده بتا در ساختار آلیاژ بیشتر باشد، میزان درصد فاز بتا پایدار هم افزایش مییابد. در چنین آلیاژهای دوفازی، استحکام بخشی از طریق عملیات حرارتی و کوئنچ از دمای بالا تا محدوده آلفا-بتا صورت میگیرد. همچنین فرایند پیرسازی نیز میتواند در دماهای کمتر از محدوه آلفا-بتا انجام شود.
حال سوالی که ممکن است پیش بیاید، این است که چرا پس از عملیات حرارتی، سرد کردن باید با سرعت زیاد صورت بگیرد و اصطلاحاً ماده کوئنچ شود؟ در پاسخ به این سوال باید بگوییم که سریع سرد کردن، موجب عدم وقوع استحاله تبدیل بتا به آلفا میگردد و در نتیجه فاز بتا در ساختار آلیاژ باقی میماند. عملیات پیرسازی نیز به دلیل تشکیل ذرات رسوب ریز آلفا میتواند در بهبود استحکام موثر باشد.
