DE102009027019A1 - Implantat aus intermetallischen Titan-Aluminid-Legierungen - Google Patents

Implantat aus intermetallischen Titan-Aluminid-Legierungen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Implantat, welches aus einer Titanaluminid-Legierung hergestellt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Implantat, insbesondere ein künstliches Knie- oder Hüftgelenk.
  • Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, ein künstliches Knie- oder Hüftgelenk beispielsweise aus einer Kobalt-Chromlegierung herzustellen. Eine solche Legierung weist keine besonders gute Biokompatibilität auf. Insbesondere darin enthaltenes Chrom oder auch Nickel können zur Entstehung von Allergien beitragen.
  • Zur Überwindung dieses Nachteils werden Knie- oder Hüftimplantate heute im Wesentlichen aus Titan hergestellt. Titan hat allerdings den Nachteil, dass es relativ weich ist. Die Herstellung von Implantaten aus Titan erfolgt mittels spanabhebender Verfahren. Das ist äußerst kosten- und zeitaufwändig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Implantat mit verbesserten Eigenschaften angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 12.
  • Nach Maßgabe der Erfindung wird ein aus einer Titanaluminid (TiAl)-Legierung hergestelltes Implantat vorgeschlagen. Bei Titanaluminid handelt es sich um eine intermetallische Verbindung aus Titan und Aluminium. Ein aus einer Titanaluminid-Legierung hergestelltes Implantat weist im Vergleich zu Implantaten nach dem Stand der Technik erheblich verbesserte Verschleißeigenschaften auf.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein Gefüge der Titanaluminid-Legierung zwei Phasen auf. Dabei kann eine erste Phase γ-TiAl und eine zweite Phase α2-Ti3Al sein. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, ein Verhältnis α2/γ zwischen 0,03 und 0,15 einzustellen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das Gefüge ein near-Gamma-Gefüge. Ein solches Gefüge weist äquiaxiale γ-Körner und an den Korngrenzen oder Triplepunkten befindliche α2-Körner auf. Bei dem Gefüge kann es sich aber auch um ein Duplex-Gefüge handeln. Ein solches Gefüge weist globulare γ-Körner und α2/γ-Körner auf.
  • Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die TiAl-Legierung die folgende Zusammensetzung auf:
    Al (45–49 at%), X1 (2–4 at%), X2 (1–8 at%), X3 (≤ 1 at%), Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei
    X1 = Seltenerdmetalle, z. B. Yttrium, Praseodym
    X2 = Niob (Nb), Wolfram (W), Tantal (Ta), Rhenium (Rh)
    X3 = O, C.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Implantat, vorzugsweise für eine Dauer von 1 bis 200 Stunden, besonders bevorzugt für eine Dauer von 80 bis 150 Stunden, auf eine Temperatur aufgeheizt, welche im Bereich der eutektischen Temperatur liegt und geringer als die alpha-transus Temperatur ist. Die Temperatur kann 10 bis 50°C hoher oder niedriger als die eutektische Temperatur liegen.
  • Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird das Implantat als Gussteil aus der Titanaluminid-Legierung hergestellt. Zur Herstellung eines solchen Guss teils wird zweckmäßigerweise ein Schleudergussverfahren verwendet.
  • Es kann aber auch sein, dass das Implantat mittels Schmieden unter isothermen oder quasi-isothermen Bedingungen im Bereich der Temperatur der (α + γ)-Phase der Titanaluminid-Legierung hergestellt wird. Die entsprechende Temperatur der (α + γ)-Phase kann aus dem TiAl-Phasendiagramm entnommen werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung kann zumindest eine tribologisch beanspruchte Oberfläche des Implantats mit einer aus Al2O3 gebildeten Schicht versehen sein. Die vorerwähnte Al2O3-Schicht kann aus dem Grundwerkstoff über den bekannten Halogeneffekt erzeugt werden.
  • Beispiellegierung:
    • 49 at% Al, 8 at% Nb, Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen
  • Die vorgenannte Legierung kann im Schleudergussverfahren vergossen werden. Ein daraus hergestelltes Gussteil, welches beispielsweise die Form eines Knieimplantats aufweisen kann, kann nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dazu wird das Gussteils für eine Dauer von 5 Stunden auf eine Temperatur aufgeheizt, welche etwa 20°C höher als die eutektische Temperatur ist. Mit der Wärmebehandlung kann das Gefüge eingestellt werden. Ferner kann damit eine Übergangstemperatur für den Spröd-Duktil-Übergang der Legierung herabgesetzt und gleichzeitig die Zugfestigkeit sowie die Duktilität erhöht werden.
  • Zur weiteren Verbesserung der Qualität des Gussteils ist es auch möglich, dieses mittels heißisostatischem Pressen (HIP) zu verdichten. Damit können insbesondere im Gussteil befindliche Poren und Lunker geschlossen werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung kann zumindest eine tribologisch beanspruchte Oberfläche des Implantats mit einer aus Al2O3 gebildeten Schicht versehen sein. Die vorerwähnte Al2O3-Schicht kann aus dem Grundwerkstoff über den bekannten Halogeneffekt erzeugt werden.

Claims (12)

  1. Implantat, hergestellt aus einer Titanaluminid(TiAl)-Legierung.
  2. Implantat nach Anspruch 1, wobei es ein zwei Phasen umfassendes Gefüge aufweist.
  3. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Phase γ-TiAl und eine zweite Phase α2-Ti3Al ist.
  4. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis α2/γ zwischen 0,03 und 0,15 ist.
  5. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gefüge ein near-Gamma-Gefüge ist.
  6. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gefüge ein Duplex-Gefüge ist.
  7. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die TiAl-Legierung die folgende Zusammensetzung aufweist: Al (45–49 at%), X1 (2–4 at%), X2 (1–8 at%), X3 (≤ 1 at%), Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei X1 = Seltenerdmetalle, z. B. Yttrium, Praseodym X2 = Niob (Nb), Wolfram (W), Tantal (Ta), Rhenium (Rh) X3 = O, C.
  8. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es, vorzugsweise für eine Dauer von 1 bis 200 Stunden, besonders bevorzugt für eine Dauer von 80 bis 150 Stunden, auf eine Temperatur aufgeheizt wird, welche im Bereich der eutektischen Temperatur liegt und geringer als die alpha-transus Temperatur ist.
  9. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es als Gussteil aus der TiAl-Legierung hergestellt ist.
  10. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es mittels Schmieden unter isothermen oder quasi-isothermen Bedingungen im Bereich einer Temperatur der (α + γ)-Phase der TiAl-Legierung hergestellt ist.
  11. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest an einer tribologisch beanspruchten Oberfläche eine aus Al2O3 gebildete Schicht vorgesehen ist.
  12. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es Bestanteil eines künstlichen Knie- oder Hüftgelenks ist.
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