CZ307793B6 - Biocompatible titanium alloy - Google Patents
Biocompatible titanium alloy Download PDFInfo
- Publication number
- CZ307793B6 CZ307793B6 CZ2017-814A CZ2017814A CZ307793B6 CZ 307793 B6 CZ307793 B6 CZ 307793B6 CZ 2017814 A CZ2017814 A CZ 2017814A CZ 307793 B6 CZ307793 B6 CZ 307793B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- alloy
- weight
- titanium alloy
- biocompatible
- titanium
- Prior art date
Links
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 5
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 claims abstract description 5
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 44
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 44
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 7
- -1 33 to 40% by weight Chemical compound 0.000 description 5
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 5
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000010273 cold forging Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910001040 Beta-titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000787 Gum metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001362 Ta alloys Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000005097 cold rolling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000008450 motivation Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/30—Joints
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/02—Inorganic materials
- A61L27/04—Metals or alloys
- A61L27/06—Titanium or titanium alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
- C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Prostheses (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Description
Biokompatibilní slitina titanuBiocompatible titanium alloy
Oblast technikyTechnical field
Vynález se týká biokompatibilní slitiny titanu, určené zejména pro výrobu velkých kloubních implantátů.The present invention relates to a biocompatible titanium alloy, in particular for the production of large articular implants.
Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
Biokompatibilní slitiny titanu, zejména slitina TÍ-6A1-4V, patří v současné době mezi nejpoužívanější materiály pro výrobu velkých kloubních implantátů. Mezi určité nevýhody této konkrétní slitiny TÍ-6A1-4V však patří užití potenciálně toxického vanadu a také vyšší modul pružnosti materiálu. Oba tyto faktory mohou být důvodem omezené životnosti používaných implantátů a současně jsou hlavní motivací pro vývoj nových slitin na bázi titanu, které budou vhodnější pro výrobu ortopedických implantátů.Biocompatible titanium alloys, especially Ti-6A1-4V, are currently among the most widely used materials for the production of large articular implants. However, some disadvantages of this particular Ti-6A1-4V alloy include the use of potentially toxic vanadium and the higher modulus of elasticity of the material. Both of these factors may be the reason for the limited lifetime of the implants used and at the same time they are the main motivation for the development of new titanium-based alloys that will be more suitable for orthopedic implant production.
Základní, dnes obecně známou, strategií je vyrobit slitinu z prvků, které jsou biotolerantní a současně snížit modul pružnosti materiálu tím, že slitina bude obsahovat větší podíl tzv. β - fáze s kubicky prostorově centrovanou krystalickou mřížkou. Bylo přitom objeveno, že mezi vhodné legující prvky patří zejména niob, zirkonium a tantal. Kvatemámí slitina na bázi Ti-Nb-Zr-Ta byla patentována již v roce 1999 (patent US 5871595). Dostatečný obsah beta stabilizačních prvků (Nb a Ta) a vhodný způsob přípravy přitom zajišťují, že se slitina vyznačuje nízkým modulem pružnosti. Obdobná slitina, která osahuje kromě titanu také niob, zirkonium a tantal včetně jejího zpracování, je popsána v dalším patentu US 8425567.The basic, generally known strategy today is to produce an alloy from elements that are biotolerant and at the same time reduce the modulus of elasticity of the material by containing a larger proportion of the β-phase with a cubically spatially centered crystal lattice. It has been discovered that suitable alloying elements include, in particular, niobium, zirconium and tantalum. The quaternary Ti-Nb-Zr-Ta-based alloy was patented as early as 1999 (US Patent 5871595). A sufficient content of beta stabilizing elements (Nb and Ta) and a suitable preparation process ensure that the alloy is characterized by a low modulus of elasticity. A similar alloy that includes niobium, zirconium, and tantalum in addition to titanium, including its treatment, is described in another U.S. patent 8425567.
V obou uvedených US patentech je uvedeno, že slitiny také mohou obsahovat nevyhnutelné nečistoty, přičemž v případě slitin titanu jde kromě železa zejména o kyslík, dusík a uhlík. Bylo sice již zjištěno, že obsah kyslíku hraje významnou roli pro dosažení požadovaných mechanických vlastností, nicméně obě tyto slitiny na bázi Ti obsah kyslíku pro tento účel nevyužívají cíleně. Značným problémem při snaze o cílené zvyšování obsahu kyslíku v zájmu zejména zvýšení pevnosti těchto slitin je však skutečnost, že při obsahu kyslíku vyšším než 0,4 % hmota, dochází u těchto slitin k jejich zkřehnutí, čímž je pak vyloučena průmyslová využitelnost takovýchto slitin.Both US patents disclose that alloys may also contain unavoidable impurities, with titanium alloys in particular oxygen, nitrogen and carbon, in addition to iron. Although it has already been found that the oxygen content plays an important role in achieving the desired mechanical properties, both Ti-based alloys do not specifically use the oxygen content for this purpose. However, a considerable problem in seeking to increase the oxygen content in a targeted manner, in particular to increase the strength of these alloys, is that at an oxygen content of greater than 0.4% by weight, these alloys tend to become brittle, thereby eliminating the industrial applicability of such alloys.
Kontrolovaný obsah kyslíku se využívá ve slitině, která se populárně označuje jako GUM-metal (gumový kov) pro svůj nízký modul pružnosti a postulovaný neobvyklý mechanismus plastické deformace (Saito et al., Science, 2003) a její složení je nejčastěji Ti-35Nb-2Ta-3Zr-0.3O. Slitina podobného složení je předmětem i patentového spisu CN 101215655, u níž je sice nárokován obsah kyslíku 0,2 až 0,8 % hmota., nicméně ani u této slitiny není zaručena při obsazích kyslíku nad 0,4 % hmota, její dostatečná tažnost.Controlled oxygen content is utilized in an alloy popularly known as GUM-metal for its low modulus of elasticity and postulated unusual plastic deformation mechanism (Saito et al., Science, 2003) and its composition is most often Ti-35Nb- 2Ta-3Zr-0.3O. An alloy of similar composition is also disclosed in CN 101215655, where an oxygen content of 0.2 to 0.8% by weight is claimed, but even this alloy does not guarantee sufficient ductility at oxygen contents above 0.4% by weight.
Zároveň nutno v této souvislosti podotknout, že pro průmyslovou využitelnost slitiny pro výrobu velkých kloubů je nezbytné, aby výchozí materiál měl dostatečné rozměry pro výrobu implantátu.At the same time, it should be noted that for the industrial applicability of an alloy for the production of large joints, it is essential that the starting material be of sufficient size to manufacture the implant.
V případě kyčelního implantátu je typickým vstupním polotovarem tyčovina o průměru nejméně 35 mm. Mechanické vlastnosti všech výše uvedených slitin na bázi titanu výrazně závisejí na míře deformace při zpracování materiálu - zejména kování či válcování za studená nebo za tepla. Typickým výsledkem takového procesuje tenký drát, případně tenký plech, což je i případ slitiny dle spisu CN 101215655. Pro využitelnost vynálezu je nezbytné dosáhnutí současně požadovaných mechanických vlastností i dostatečného rozměru polotovaru, což veškeré tyto slitiny neumožňují, a to včetně i další slitiny, známé z patentového spisu CZ 305941, jehož předmětem je biokompatibilní slitina na bázi titanu, obsahující 51 až 61,6 % hmota, titanu, 33 až 40 % hmota, niobu, 5 až 8 % hmota, tantalu a 0,4 až 0,5 % hmota, kyslíku. Pouze do určité míry toto umožňuje biokompatibilní metastabilní slitina, známá z bakalářské práce o názvuIn the case of a hip implant, a typical entry blank is a bar with a diameter of at least 35 mm. The mechanical properties of all of the above-mentioned titanium-based alloys depend greatly on the degree of deformation during material processing - especially forging or cold or hot rolling. A typical result of such a process is a thin wire or thin sheet, which is also the case of an alloy according to CN 101215655. from CZ 305941, which relates to a biocompatible titanium-based alloy containing 51 to 61.6% by weight, titanium, 33 to 40% by weight, niobium, 5 to 8% by weight, tantalum and 0.4 to 0.5% mass, oxygen. Only to some extent this is made possible by the biocompatible metastable alloy known from the bachelor's thesis on the title
- 1 CZ 307793 B6- 1 GB 307793 B6
Metastabilní beta slitiny titanu pro využití v medicíně z roku 2016, která obsahuje 51 % hmota, titanu, 35,3 % hmota, niobu, 7,3 % hmota, zirkonu, 5,7 % hmota, tantalu a 0,7 % hmota, kyslíku.Metastable beta titanium alloys for medical use in 2016, containing 51% by mass, titanium, 35.3% by mass, niobium, 7.3% by mass, zirconium, 5.7% by mass, tantalum and 0.7% by mass, of oxygen.
Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION
Výše uvedené nevýhody jsou do značné míry odstraněny biokompatibilní slitinou na bázi titanu, niobu a kyslíku, určenou zejména pro výrobu velkých kloubních implantátů a tvořenou v celém svém objemu kubickou prostorově centrovanou mřížkou, s jejímiž dislokacemi jsou atomy O v interakci podle nyní předkládaného vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že tato slitina obsahuje 50 až 79 % hmota. Ti, 20 až 35 % hmota. Nb, jako jednoho z prvků s β stabilizačním efektem, a 0,6 až 1,0 % hmota. O, jako intersticiálního prvku, přispívajícího k deformačnímu zpevnění slitiny. Mikrostruktura této slitiny je přitom tvořena zrny o velikosti 20 až 100 pni.The above disadvantages are largely eliminated by the biocompatible titanium, niobium and oxygen based alloy, especially for the manufacture of large articulated implants and formed in its entirety by a cubic spatially centered grid with dislocations of which are the O atoms in the interaction of the present invention. The principle of the invention is that the alloy contains 50 to 79% by weight. Ti, 20 to 35% by weight. Nb, as one of the elements with a β stabilizing effect, and 0.6 to 1.0 wt%. O, as an interstitial element contributing to the deformation strengthening of the alloy. The microstructure of this alloy is made up of 20 to 100 microns grains.
Podstata vynálezu spočívá i v tom, že tato slitina může v některých případech dále obsahovat 0,1 až 10 % hmota. Ta, jako druhého prvku s β stabilizačním efektem, a případně i 0,1 až 10 % hmotn. Zr.It is also an object of the present invention that the alloy may in some cases further comprise from about 0.1% to about 10% by weight. This, as a second element with a β stabilizing effect, and optionally 0.1 to 10 wt. Zr.
Fyzikální podstatou vynálezu je překvapivé zjištění, že ve slitině, která obsahuje při pokojové teplotě pouze β fázi, nedochází ke zkřehnutí materiálu ani při obsahu kyslíku nad 0,7 % hmota., resp. že obsah kyslíku nemá negativní vliv na tažnost materiálu. Nezbytný je ale dostatečně vysoký obsah prvků, které mají β - stabilizační efekt. U slitiny podle vynálezu se jedná o niob a případně i tantal. V důsledku interakce atomů kyslíku s dislokacemi tato slitina podle vynálezu překvapivě vykazuje i ostrou mez kluzu. Fenomén ostré meze kluzu je známý ve feritických ocelích, kde je způsoben interakcí intersticiálních atomů uhlíku s dislokacemi. Ostrá mez kluzu ve slitině podle vynálezu je zřejmě obdobné povahy a díky ostrému charakteru meze kluzu lze materiál zatížit větším mechanickým napětím, aniž by došlo k jeho trvalé deformaci.The physical essence of the invention is the surprising finding that in an alloy which contains only the β phase at room temperature, the material does not become brittle even at an oxygen content of more than 0.7% by weight. that the oxygen content does not adversely affect the ductility of the material. However, a sufficiently high content of elements that have a β-stabilizing effect is necessary. The alloy according to the invention is niobium and optionally tantalum. Surprisingly, due to the interaction of oxygen atoms with dislocations, this alloy according to the invention also exhibits a sharp yield point. The sharp yield strength phenomenon is known in ferritic steels, where it is caused by the interaction of interstitial carbon atoms with dislocations. The sharp yield strength in the alloy according to the invention is apparently of a similar nature and, due to the sharp design of the yield strength, the material can be subjected to greater mechanical stress without permanently deforming it.
Díky všem těmto skutečnostem se slitina podle vynálezu tak vyznačuje neobyčejně dobrými mechanickými vlastnostmi, přičemž mez kluzu je vyšší než 900 MPa, mez pevnosti vyšší než 1000 MPa, tažnost vyšší než 15 % a modul pružnosti nižší než 90 GPa.Due to all this, the alloy according to the invention is thus characterized by extremely good mechanical properties, with a yield strength greater than 900 MPa, an ultimate strength greater than 1000 MPa, an elongation greater than 15% and an elastic modulus less than 90 GPa.
Zpracování této biokompatibilní slitiny titanu přitom probíhá tak, že po kování za studená se provádí její rekrystalizační žíhání při teplotách 900 až 1100 °C za účelem dosažení její potřebné mikrostruktury.The biocompatible titanium alloy is treated by recrystallizing annealing at a temperature of 900 to 1100 [deg.] C. after cold forging to obtain the required microstructure.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Vynález je dále blíže dokumentován vlastnostmi příkladných provedení biokompatibilní slitiny titanu podle vynálezu, kde znázorňuje:The invention is further illustrated by the characteristics of exemplary embodiments of a biocompatible titanium alloy of the invention, wherein:
Obr. 1 - vliv obsahu kyslíku na mechanické vlastnosti těchto slitin v tahu,Giant. 1 - influence of oxygen content on tensile mechanical properties of these alloys,
Obr. 2 - tabulku výsledků mechanických vlastností slitin s různým obsahem kyslíku,Giant. 2 - table of results of mechanical properties of alloys with different oxygen content,
Obr. 3 - graf únavové odolnosti těchto slitin v závislosti na jejím zpracování,Giant. 3 - graph of fatigue resistance of these alloys as a function of their processing,
Obr. 4 - polotovar dříku kyčelního implantátu, zhotovený z těchto slitin.Giant. 4 is a hip implant stem blank made of these alloys.
Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Biokompatibilní slitina titanu v konkrétním příkladném provedení vynálezu obsahuje 51 % hmotn. Ti, 35 % hmotn. Nb, 7 % hmotn. Zr, 6 % hmotn. Ta, 0,7 % hmotn. O ve forměA biocompatible titanium alloy in a particular exemplary embodiment of the invention comprises 51 wt. % Ti, 35 wt. % Nb, 7 wt. % Zr, 6 wt. Ta, 0.7 wt. O in form
-2CZ 307793 B6 intersticiálních atomů, zbytek doprovodné přimíseniny a nečistoty. Slitina je v celém svém objemu tvořena kubickou prostorově centrovanou mřížkou, s jejímiž dislokacemi jsou atomy O v interakci a jejíž mikrostruktura je tvořena zrny o velikosti 50 až 80 pni.Interstitial atoms, the rest of the accompanying admixtures and impurities. In its entire volume, the alloy is a cubic spatially centered lattice with dislocations of which the O atoms interact and whose microstructure is made up of 50 to 80 microns grains.
Vliv obsahu kyslíku na mechanické vlastnosti v tahu je patrný z průběhu tahových křivek, kde, jak je patrno z obr. 1, je u této slitiny v porovnání s dosud běžnými slitinami mimo jiné zřejmá ostrá mez kluzu. Křivka 1_ zde znázorňuje tahovou křivku u této konkrétní slitiny dle vynálezu, křivka 2 slitinu Ti-Nb-Zr-Ta s 0,4 % hmota. O a křivka 3 tahovou křivku pro běžnou slitinu s 0,06 % hmota. O.The influence of oxygen content on mechanical tensile properties is evident from the course of tensile curves, where, as can be seen from FIG. The curve 7 here shows the tensile curve of this particular alloy according to the invention, the curve 2 of the Ti-Nb-Zr-Ta alloy with 0.4% by weight. O and curve 3 tensile curve for conventional alloy with 0.06 wt%. O.
Souhrn výsledků mechanických vlastností slitin s tímto různým obsahem kyslíku a při jejich statickém namáhání je pak patrný z tabulky na obr. 2. Modul pružnosti byl určen nezávislou metodou ultrazvukové spektroskopie. Jak je z této tabulky zřejmé, hodnoty meze kluzu a meze pevnosti u příkladného provedení biokompatibilní slitiny titanu dle vynálezu s obsahem 0,7 % hmota, kyslíku značně převyšují hodnoty meze kluzu a meze pevnosti u zbývajících slitin.A summary of the results of mechanical properties of alloys with this different oxygen content and their static stress is then shown in the table in Fig. 2. The modulus of elasticity was determined by an independent method of ultrasonic spectroscopy. As can be seen from this table, the yield strength and tensile strength values of the exemplary biocompatible titanium alloy of the present invention containing 0.7 wt.%, Oxygen significantly exceed the yield strength and tensile strength values of the remaining alloys.
Z dalšího grafů na obr. 3 je pak patrná únavová odolnost konkrétního příkladu provedení slitiny dle vynálezu, a to v závislosti na jejím zpracování. Únavová odolnost je přitom kritickým faktorem pro využitelnost materiálu pro výrobu dříku kyčelního implantátu, který je zatěžován cyklickým namáháním při chůzi pacienta. Jak je při porovnání únavové odolnosti slitiny v litém stavu a ve stavu po zápustkovém kování za tepla zřejmé, má zpracování této slitiny podstatný vliv na její únavovou odolnost.Further graphs in Fig. 3 show the fatigue resistance of a particular embodiment of the alloy according to the invention, depending on its processing. Fatigue resistance is a critical factor in the usability of the hip implant shaft material, which is subject to cyclic stress as the patient walks. As is evident when comparing the fatigue resistance of an alloy in the cast state and after die forging, the treatment of the alloy has a significant effect on its fatigue resistance.
Slitinu podle vynálezu lze vyrobit smíšením čistých prvků (Ti, Nb, případně i Ta, Zr) a odpovídajícího množství titanové běloby (T1O2) pro kontrolu obsahu kyslíku ve formě prášku či granulátu a následným obloukovým či plazmovým tavením v ochranné atmosféře. Pro následné zpracování je nezbytné dosáhnout odlitku ve tvaru tyče o průměru 100 mm. Toho lze dosáhnout pomocí sekvenčního tavení, popsaného, např. v patentu US 6006821 A, společně s vysoce výkonným plazmovým tavením. Výsledkem je homogenní tyč o průměru 100 mm a délce až 1 m bez výrazných licích vad. Litý stav lze zpracovat kováním za studená postupným snižováním průměru a dosáhnout průměru 50 mm, tedy dosáhnout deformace 75 %. Následným rekrystalizačním žíháním při teplotě v intervalu 900 až 1100 °C po dobu 5 až 20 min lze dosáhnout plně rekrystalizované struktury, která vykazuje dobré mechanické vlastnosti a je vhodná pro následné zpracování. Tyčovina v rekrystalizovaném stavu může být dále tvářena zápustkovým kováním při teplotě 1000 až 1200 °C pro výrobu polotovarů dříku kyčelního implantátu, jak je tento polotovar znázorněn na obr. 4.The alloy according to the invention can be produced by mixing the pure elements (Ti, Nb and possibly Ta, Zr) and the corresponding amount of titanium dioxide (T102) to control the oxygen content in the form of powder or granulate and subsequent arc or plasma melting in a protective atmosphere. For subsequent processing it is necessary to obtain a bar-shaped casting with a diameter of 100 mm. This can be accomplished by sequential melting as described, for example, in US Patent 6,068,221 A, along with high-performance plasma melting. The result is a homogeneous rod with a diameter of 100 mm and a length of up to 1 m without significant casting defects. The cast state can be processed by cold forging by gradually reducing the diameter and reaching a diameter of 50 mm, thus achieving a deformation of 75%. Subsequent recrystallization annealing at a temperature in the range of 900 to 1100 ° C for 5 to 20 min can result in a fully recrystallized structure that exhibits good mechanical properties and is suitable for subsequent processing. The rod in the recrystallized state can be further formed by die forging at a temperature of 1000 to 1200 ° C to produce hip shaft stem blanks as shown in Figure 4.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Biokompatibilní slitina titanu dle vynálezu je široce využitelná pro výrobu tělních implantátů, zejména totálních náhrad velkých kloubů.The biocompatible titanium alloy according to the invention is widely used for the production of body implants, in particular total joint replacements.
PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-814A CZ307793B6 (en) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | Biocompatible titanium alloy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-814A CZ307793B6 (en) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | Biocompatible titanium alloy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2017814A3 CZ2017814A3 (en) | 2019-05-09 |
| CZ307793B6 true CZ307793B6 (en) | 2019-05-09 |
Family
ID=66344456
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2017-814A CZ307793B6 (en) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | Biocompatible titanium alloy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ307793B6 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113136503A (en) * | 2021-04-01 | 2021-07-20 | 北京航空航天大学 | Biomedical TiNb-based titanium alloy and preparation method thereof |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5683442A (en) * | 1989-12-21 | 1997-11-04 | Smith & Nephew, Inc. | Cardiovascular implants of enhanced biocompatibility |
| CZ305941B6 (en) * | 2014-12-17 | 2016-05-11 | UJP PRAHA a.s. | Titanium-based alloy and process of heat and mechanical treatment thereof |
-
2017
- 2017-12-19 CZ CZ2017-814A patent/CZ307793B6/en unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5683442A (en) * | 1989-12-21 | 1997-11-04 | Smith & Nephew, Inc. | Cardiovascular implants of enhanced biocompatibility |
| CZ305941B6 (en) * | 2014-12-17 | 2016-05-11 | UJP PRAHA a.s. | Titanium-based alloy and process of heat and mechanical treatment thereof |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| (Biocompatibility of new Ti-Nb-Ta base alloys; Mohamed A-H Gepreel, Mohamed K Gouda, Ahmad M Hefnawy, Abdelrahman H Hussein, Sherif H Kandil, Materials science & engineering. C, Materials for biological applications (20160401) Vol. 61, pp. 574-8. E-ISSN: 1873-0191) 05.02.2016 * |
| (Martensitic transformation and superelastic properties of Ti-Nb base alloys; Kim Hee Young, Shuichi Miyazaki; Materials Transactions (2015) Vol. 56, No. 5, pp. 625-634, ISSN: 1345-9678) 08.12.2015 * |
| (Metastabilní beta slitiny titanu pro využití v biomedicíně; Dalibor Preisler, bakalářská práce; https://is.cuni.cz/webapps/zzp/detail/135233/) 2016 * |
| (Wear transition of solid-solution-strengthened Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr alloys by interstitial oxygen for biomedical applications; Yoon-Seok Lee, Ken Cho, Huihong Lui, Masaaki Nakai, Kengo Narita; Journal of the mechanical behavior of biomedical materials (201511) Vol. 51, pp. 398-408. E-ISSN: 1878-0180. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1751616115002386) 26.08.2015 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113136503A (en) * | 2021-04-01 | 2021-07-20 | 北京航空航天大学 | Biomedical TiNb-based titanium alloy and preparation method thereof |
| CN113136503B (en) * | 2021-04-01 | 2022-04-12 | 北京航空航天大学 | Biomedical TiNb-based titanium alloy and preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2017814A3 (en) | 2019-05-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Stráský et al. | Increasing strength of a biomedical Ti-Nb-Ta-Zr alloy by alloying with Fe, Si and O | |
| Liu et al. | Binary titanium alloys as dental implant materials—a review | |
| KR100971649B1 (en) | Beta-based titanium alloy with low elastic modulus | |
| Dimić et al. | Microstructure and metallic ion release of pure titanium and Ti–13Nb–13Zr alloy processed by high pressure torsion | |
| Meng et al. | Design of low modulus β-type titanium alloys by tuning shear modulus C44 | |
| Dai et al. | Influence of Zr content on microstructure and mechanical properties of implant Ti–35Nb–4Sn–6Mo–xZr alloys | |
| EP1842933B1 (en) | Beta-type titanium alloy and product thereof | |
| Biesiekierski et al. | Impact of ruthenium on mechanical properties, biological response and thermal processing of β-type Ti–Nb–Ru alloys | |
| Stráský et al. | Biocompatible beta-Ti alloys with enhanced strength due to increased oxygen content | |
| Patricio et al. | Relationship between microstructure, phase transformation, and mechanical behavior in Ti–40Ta alloys for biomedical applications | |
| KR100653160B1 (en) | Production method of Ti-base alloy with low elastic modulus and excellent bio-compatibility | |
| CZ307793B6 (en) | Biocompatible titanium alloy | |
| Catherine et al. | The effect of heat treatment on the tensile strength and ductility of pure titanium grade 2 | |
| WO2022014564A1 (en) | Cobalt-chromium alloy member, method for producing same, and medical or aerospace device | |
| US20090088845A1 (en) | Titanium tantalum oxygen alloys for implantable medical devices | |
| AU2023201949A1 (en) | Titanium based ceramic reinforced alloy | |
| Yu et al. | Development of biomedical Near β Titanium alloys | |
| Santos et al. | Development of New Ti‐Mn‐Mo Alloys for Use in Biomedical Applications | |
| EP3489375B1 (en) | Ternary ti-zr-o alloys, methods for producing same and associated utilizations thereof | |
| TWI663261B (en) | Composition of titanium alloys with low young's modulus | |
| CZ305941B6 (en) | Titanium-based alloy and process of heat and mechanical treatment thereof | |
| EP2927334B1 (en) | Titanium based ceramic reinforcement alloy for use in medical implants | |
| JP6494172B2 (en) | Ceramic reinforced titanium-based alloy for use in medical implants | |
| RU2479657C1 (en) | Titanium-based alloy | |
| US20240002982A1 (en) | Superelastic alloys |