TITANUL SI ALIAJE DE TITAN

1 Titanul pur comercial

Titanul a fost descoperit in 1790 si este al noualea element din cele mai raspandite pe pamant. Procesul de fabrcatie Kroll (dezvoltat in 1936) permite producerea titanului in cantitati comerciale. Metoda Kroll implica o clorurare a minereului brut pentru a produce tetraclorura de titan (TiCl₄). Acest compus este apoi redus cu magneziu solid in atmosfera inerta pentru a se produce MgCl₂ si lingoul poros de titan (spongios). Ionii de clorura si clorura de magneziu reziduala sunt apoi dezalcalinizate pentru a purifica lingoul, care este apoi compactat. Titanul folosit la fabricarea componentelor implantului modular are o puritate nominala de 99,0%, este din Clasa 4, cu elemente de aliere, compozitia chimica fiind specificata in tabelul 1.

Tabelul 1 Specificatii compozitionale pentru pentru titanul pur comercial din Clasa 4

Titanul este un element alotropic. La temperatura camerei, structura hexagonal compacta cunoscuta ca faza a este stabila termodinamic. Cand se incalzeste la temperaturi peste 883 ^oC, se transforma in structura cubica cu volum centrat, faza b. In stare normalizata prezinta proprietati mecanice date in tabelul

Tabelul 2 Proprietatile mecanice ale titanului pur comercial

Titanul pur comercial este folosit adesea la instrumente medicale pentru plasticitatea lui relativ buna (comparativ cu aliajele de titan) si biocompatibilitatea ridicata.

Au rezistenta ridicata cu raportul de greutate, astfel: densitatea titanului este de 4,5 g/cm³, fiind opusul lui 7,9 g/cm³ pentru 316 SS si 8,3 g/cm³ pentru aliajele Co-Cr-Mo sau 9,2 g/cm³ pentru aliajele Co-Ni-Cr-Mo.

Titanul nealiat se clasifica in functie de incluziunile de impuritati. Nivelul de impuritati este controlat cu atentie. Cantitatea de oxigen prezenta are un efect mare asupra ductilitatii si a rezistentei - mai mult oxigen confera rezistenta si duritate.

2 Aliaje de titan

Titanul formeaza o gama larga de aliaje binare sau complexe. Structura si proprietatile acestor aliaje sunt diferite, in functie de efectul elementelor de aliere asupra domeniilor de existenta a celor doua forme alotropice ale titanului.

Existenta unei transformari eutectoide si solubilitatea variabila a multor elemente de aliere in titan permit obtinerea unor constituenti diferiti, in functie de conditiile de aliere si de viteza de racire:

Ti cu structura a

Ti cu structura b

Faze martensitice a^', a

Faze w

Clasificarea elementelor de aliere:

Stabilizatori a: Al, Ga, Ge, La, Ce, O, N, C

Stabilizatori b

b izomorfi: V, M, Nb, Ta, Re

b eutectici: Cr, Fe, Mn, Cu, Ag, Au, Ni, Co, Pb,

Neutri: Zr, Sn, Hf

Tratamentul termic: poate influenta semnificativ microstructura - proprietatile mecanice.

Exploatarea primara, transformare b a

Alte transformari de faza de interes:

b a^' a

b w

b b b

Combinatii ale transformarilor de faza se utilizeaza adesea pentru optimizarea proprietatilor mecanice.

Clasificarea aliajelor de Ti:

aliaje a

aliaje a

aliaje majoritar a (cu stabilizatori b <

aliaje durificate prin imbatranire (Ti-Cu)

aliaje a b (mai importante comercial)

aliaje b

Diagrama pseudo+binara Titan-element β-gen (1)

Aliaje a

Sunt formate dintr-o singura faza, se aliaza in mod obisnuit cu Al, O, Sn, Zr (Ti comercial, aliaje Ti-O, Ti5Al2,5Sn).

Microstructurile specifice pot contine:

a echiaxial

a^' martensitic

Wiedmansttten, ca a

Caracteristici:

Rezistenta la tractiune: slaba

Ductilitatea: buna (forma echiaxiala)

Fluajul: foarte bun

Pasticitatea: slaba

Aliaje majoritare a

Contin cantitati mici de stabilizatori b < 2 % masice)

IMI 685: Ti-6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si

IMI 679: Ti-11Sn-2,25Al-5Zr-1Mo-0,2Si

Ti-8Al-1Mo-1V

Sn formeaza o solutie solida mai rezistenta decat Al la temperaturi ridicate si nu favorizeaza formarea a

Avantajele acestor aliaje sunt ca au cantitati mici de b, cresc raspunsul la tratamentul termic, au plasticitate mai buna, dar au si dezavantajul ca se inrautatesc proprietatile de fluaj.

Aliaje a b

Tratamentul termic specific:

Tratarea lui b - Basketweave

Tratarea a b - formarea de a echiaxial

Transformarea aliajelor b si b

Precipitarea de a la scara fina printre b

b b w b w a b a

b b b b b a b a

Influenta tratamentului termic asupra microstructurii aliajului de Ti a b se prezinta in figurile 1 si

      (3)

Figura 1 Structuri specifice la tratarea termica a aliajelor de Ti

Figura 2 Influenta elementelor de aliere asupra temperaturii de transformare

Tratarea termica a aliajului b se prezinta in figura 3.

Figura 3 Tratamentul termic al aliajului b

Tratarea termica a aliajului a b se prezinta in figura 4.

Figura 4 Tratamentul termic al aliajului a b

Zr si Hf au solubilitati solide extinse in ambele faze a si b ale titanului. Aceste elemente nu accelereza puternic stabilitatea fazei, dar intarzie viteza de transformare si sunt folositori ca agenti durificatori.

O, N si C sunt stabilizatori a, care maresc temperatura de transformare.

H este stabilizator b si scade temperatura de transformare.

Nb este b izomorf si nu va forma compusi intermetalici cu Ti.

Aliajul Ti-13Zr-13Nb are avantajul solubilitatii solide al acestor doua elemente (Nb si Zr) pentru a produce un compus cu modul de elasticitate redus, de preferat cu matrice de titan suprasaturata peste punctul maxim al durificarii solutiei solide.

Actualmente, aliajele pe baza de titan, in special, Ti-6Al-4V si Ti-6Al-7Nb sunt cele mai convenabile materiale pentru proteze si sunt inregistrate in standardele ASTM ca biomateriale. Aliajul Ti-6Al-4V este un aliaj compus din 90% Ti, 65 Al si 4% V. Acest aliaj este un material superior, datorita rezistentei lui la coroziune, limitei ridicate de anduranta, rapotului ridicat rezistenta/ greutate si proprietatilor de biocompatibilitate pozitive.

Titanul are rezistenta de rupere la forfecare slaba, facandu-l mai putin dorit pentru suruburile de oase, placi si aplicatii similare. De asemenea, titanul tinde sa se gripeze cand este in contact de alunecare cu el insusi sau cu alte metale. El are un coeficient de frecare ridicat, asa ca nu este utilizat adesea la doua componente in contact direct, deoarece particulele de uzura se formeaza usor. Titanul este foarte rezistent la coroziune, datorita stratului solid de oxid (singurul produs de reactie stabil) format in vivo.

Ti-6Al-7Nb contine 7% Nb in schimbul V. Acest aliaj are rezistenta la coroziune mai buna decat Ti-6Al-4V.

Sunt multe aliaje de titan disponibile pentru utilizare, fiecare cu caracteristici individuale, care le fac o solutie buna pentru o problema determinata. Oricum, facand o caracteristica mai buna, alte caracteristici vor deveni mai slabe.

Proprietati mecanice ale aliajelor de titan (1)

4 Aliaj Ti6Al4V

Cel mai comun aliaj al titanului este Ti6Al4V - contine titan, aluminiu si vanadiu. Aluminiul face sa cresca temperatura de transformare dintre fazele a si b

3 Aliaje Ti-6Al-4V/a b

In anii 1950 aliajele de titan durificabile au fost cautate pentru a raspunde la cerintele pentru materiale cu rezistenta specifica ridicata, fluaj scazut, temperatura ridicata de topire si rezistenta la coroziune ridicata pentru componentele din industria de avioane, cum ar fi motoarele cu reactie. Desi au fost luate in considerare inca din anii 1950, aliajele de titan nu au fost folosite pentru aplicatii chirurgicale decat din anii 1960. Actualmente, aliajele de titan cum este Ti-6Al-4V au inceput sa rivalizeze cu otelurile inoxidabile sau cu aliajele Co-Cr-Mo pentru utilizarea la implanturi.

Asa cum se prezinta in diagrama de faze Ti-Al (figura 5), alierea cu 6 % Al a Ti serveste la cresterea temperaturii la care faza a este stabila. Faza a este dorita pentru rezistenta si tenacitate bune si rezistenta la contaminarea cu oxigen la temperaturi ridicate de deformare, la care sunt expuse tipuri particulare de implante.

Figura 5 Diagrama de faze Ti-Al

Al prezinta o solulubilitate mare cu efect durificator cand este aliat in matricea de titan, asa cum se prezinta in figura 6.

Figura 6 Efectul durificarii la cantitati mici de Al pentru alierea cu Ti

Alierea cu V serveste la stabilizarea fazei b. O aliere cu numai 4 % vol (wt) reduce temperatura de tranzitie a b aproape de 200 ^oC, asa cum se vede in diagrama de faze Ti-V din figura 7.

Figura 7 Diagrama de faze Ti-V

Faza b cu structura cubica cu volum centrat permite o plasticitate mai buna la temperaturi scazute, dar este mai susceptibila la contaminarea atmosferica. Faza a este mult mai rezistenta la contaminarea cu oxigen si prezinta rezistenta si tenacitate bune. Cand faza a este sub forma de structura Widmnstatten, asigura proprietati excelente de oprire a fisurilor la oboseala. Faza b stabilizatoare poate fi mentinuta la calire. In cazul aliajului Ti-6Al-4V, faza b poate fi mentinuta chiar si dupa racirea in cuptor. Microfotografia prezentata in figura 8 reprezinta un aliaj Ti-6Al-4V a b care a fost forjat si apoi supus imbatranirii la o temperatura medie, cu o racire in cuptor la temperatura camerei.

Aliajele a au o buna sudabilitate, rezistenta ridicata, rezistenta la oxidare la temperaturi inalte. Aceste aliaje sunt singurele care nu au in structura doua faze la temperaturi scazute si nu pot fi tratate termic (figura 5.2).

Figura 5.2 Diagrama de faze pentru pentru compozitia aliajului Ti6-Al-4V

Aliajele b - sunt mai rezistente decat aliajele a

Aliajele a b formeaza, prin tratament termic, solutii b, care sunt mai rezistente decat aliajele a b calite.

Tabelul 5.3 Proprietatile aliajelor de titan

Modulul de elasticitate al titanului este aproximativ 110 GPa.

Rezistenta, dependenta de continutul de impuritati, variaza de la valori mai scazute decat ale otelurilor inoxidabile sau ale aliajelor Co-Cr, la valori aproape egale cu ale celorlalte materiale. Rezistenta de rupere la forfecare este foarte mica. Are tendinta de a se intepeni la alunecarea prin contact cu el insusi sau cu alte metale. Se pasivizeaza la formarea stratului de oxid de titan in vivo.

Figura 8 Ti-6Al-4V forjat, calire de punere in solutie 1 h la 955 ^oC, racit in aer si calit 2 h la 705 ^oC; grauntii albi, echiaxiali de a in matrice de b transformata cu graunti grosolani, aciculari de a (500x)

Structura Ti6Al4V (8)

Structura Ti6Al4V (5)

5.4.1 Prelucrarea aliajelor de titan

Titanul este foarte reactiv cu oxigenul la temperaturi inalte. Acesta poate sa arda usor. Temperaturile ridicate de prelucrare necesita atmosfere inerte, adesea se recurge la vid inaintat. Prelucrarile prin forjare la cald trebuie facute sub 925 ^oC.

Probleme de prelucrare intervin atunci cind exista reactii mecanice cu alte metale. Dar pot fi minimizate, prin folosirea sculelor ascutite la viteze mici. Prin prelucrarile electrochimice, de asemenea, se evita aceste probleme.

Proprietatile minime sunt precizate in standardele ASTM

Spume de titan

Procesul de obtinere a spumelor de TiZr (2)

Pulberea de TiYr este amestecata cu particule de ammonium hydrogen carbonate, 200 to 500 μm. Dupa compactare si sinterizare se obtine o structura poroasa.

     

Structura microscopica a spumei de ZrTi

Structura osului

Titan poros sinterizat (4)

Titan poros (porozitate 40%, particule50-450 μm) (6)