RO131226A2 - Procedeu de obţinere bioaliaj de titan cu proprietăţi superelastice pentru implanturi portante - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un bioaliaj pe bază de Ti, cu proprietăţi superelastice, utilizat la realizarea implanturilor portante, precum şi la un procedeu de obţinere a acestora. Bioaliajul conform invenţiei face parte din sistemul TiNbZrTaO şi are următoarea compoziţie chimică, exprimată în procente masice: 55,84% Ti, 36,5%Nb, 4,5% Zr, 3% Ta, 0,16% O, cu conţinutul de oxigen controlat, având în stare turnată un modul de elasticitate de 58 GPa şi o rezistenţa mecanică de 670 MPa. Procedeul conform invenţiei cuprinde următoarele faze: pregătirea şi dozarea materiilor prime care intră în compoziţia aliajului, respectiv, burete de Ti, tablă subţire de Nb cu grosimea de maximum 1 mm, burete sau bară de Zr, bară subţire de prealiaj Ti - 60 Ta şi pigment de TiO, pregătirea unui electrod consumabil cilindric, prin presare în porţii, consolidarea electrodului obţinut, prin sudarea pe generatoare într-o instalaţie de sudare cu plasmă în incintă vidată, topirea electrodului într-un cuptor cu arc în vid, obţinerea unui lingou cilindric de primă topire, cu diametrul mai mare decât cel al electrodului presat, tăierea retasurii de contracţie, retopirea electrodului de primă topire, pentru îmbunătăţirea omogenităţii chimice şi structurale, turnarea şarjei şi obţinerea unui al doilea lingou cilindric, tăierea retasurii acestuia, cojirea pe generatoare a lingoului de a doua topire până la material curat, prelevarea de probe pentru analiza chimică, şi efectuarea controlului ultrasonic, pentru detectarea defectelor de structură.

Description

DESCRIERE

Procedeu de obținere bioaliaj de titan cu proprietăți superelastice pentru implanturi portante

Domeniul tehnic la care se referă invenția

Invenția se referă la procedeul de obținere a unui aliaj pe bază de titan, de tip β, cu proprietăți superelastice, având în compoziție niobiu, zirconiu si tantal, elemente cu biocompatibilitate ridicată si un continui controlat de oxigen. Aceasta compoziție îi conferă caracteristici mecanice și de rezistență la coroziune in medii fiziologice îmbunătățite față de cele ale titanului comercial pur și ale aliajelor comerciale de titan cu continui de elemente toxice (Al si V). Proprietățile mecanice, structurale si funcționale ale aliajului supus brevetării se pot imbunatati prin tratamente termo-mecanice si de biofunctionalizare a suprafeței, cu consecințe favorabile privind biocompatibilitatea mecanica si oseointegrarea implanturilor.

Aliajul este destinat aplicațiilor în ortopedie, pentru implanturi portante - care trebuie sa reziste la solicitări mari. Datorita modulului elastic scăzut si proprietăților superelastice ale aliajului, implantul permite transferul solicitărilor la os, evitând fenomenul de atrofiere a acestuia. Aliajul poate fi utilizat si pentru alte aplicații in care proprietățile de superelasticitate sunt utile.

Prezentarea stadiului cunoscut al tehnicii din domeniu

Utilizarea pe scara tot mai larga a implanturilor endosoase, stimulata de imbatranirea populației si accidente, necesita îmbunătățiri tehnologice in proiectarea implanturilor si a materialelor utilizate la execuția acestora, pentru a le mari durabilitatea in scopul îmbunătățirii calitatii vieții pacientilor. Inovarea continua a tehnologiilor a impulsionat

/2?

£-2014-- 0 0 9 4 4 0 3 -12- 2014 industria de fabricare a implanturilor si se aștepta ca acest trend sa continue si in anii următori, pentru o tratare eficienta a traumatismelor si bolilor osteoarticulare.

Pe langa tehnicile chirurgicale utilizate si geometria implanturilor, un factor hotărâtor in succesul implanturilor ortopedice, in special al celor portante, este materialul de implant. In prezent, cele mai utilizate materiale metalice pentru implanturi si alte dispozitive medicale sunt (inca) otelurile inoxidabile, aliajele din sistemul Co-Cr si aliajele de titan Ti-6A1-4V, Ti6Al-7Nb. Titanul si aliajele sale s-au impus in medicina reparatorie pentru ca poseda o înalta biocompatibiiitate (rezistenta buna la coroziune in mediul biologic, cito toxic itate redusa comparativ cu alte metale ca: Ni, Co, Fe, Pd), buna stabilitate in vivo, precum si proprietăți mecanice bune (rezistenta la oboseala, modul de elasticitate mai scăzut decât al otelului inoxidabil sau al aliajelor CoCr, rezistenta satisfacatoare la uzura), un bun raport rezistenta mecanica/densitate si preț accesibil.

In ultima decada, nitinolul, aliajul de titan cu continui de nichel apropiat de proporția echiatomica a celor doua metale, care prezintă proprietăți de memoria formei la schimbarea temperaturii, dar si superelasticitate peste temperatura Af (temperatura finala de transformare austenitica), a permis multe inovări atat in implantologia si protetica ortopedica si dentara, cat si in tratamentele cardiovasculare minim invazive sau instrumentarul pentru intervenții chirurgicale (stenturi, catetere, instrumentar miniaturizat pentru intervenții laparoscopice). Nitinolul prezintă insa dezavantajul de a avea in compoziție nichelul, care este un element toxic.

Aliajele superelastice de titan cu elemente de aliere netoxice prezintă o combinație foarte buna intre o înalta biocompatibiiitate si rezistenta mecanica, cu un modul de elasticitate scăzut, caracteristici ce nu se întâlnesc la celelalte biomateriale metalice comerciale (cu excepția nitinolului), evitând astfel fenomenul de „stress shielding”, ecranarea transmiterii solicitării de la implant la os, care afecteaza osseointegrarea, provocând resorbția țesutului osos in vecinătatea implantului si chiar pierderea implantului. Proprietățile aliajelor superelastice permit utilizarea lor pentru realizarea de implanturi supuse la solicitări mari cum sunt cele pentru articulațiile de sold, umăr sau coloana.

In ceea ce privește compozițiile aliajelor de titan cu modul elastic scăzut - pentru diferite utilizări, inclusiv pentru dispozitive medicale - si procedeele de obținere a acestora au fost publicate o serie de brevete dintre care se pot menționa:

Brevetul US 5871595 A, publicat inl999, autori Toseef si alții, [1] se refera la aliaje cu baza titan biocompatibile, cu modul elastic scăzut, utilizate la fabricarea

<2014-- 0 0 9 4 4 0 3 -12- 2014

V dispozitivelor medicale de tipul implanturilor. Aliajele cuaternare, biocompatibile (fara elemente de aliere toxice ca Al, Ni, Co, Fe, Cr, Mo, W) au compoziția in procente gravimetrice: cca. 2.5-13 % Zr, cca. 20-40 % Nb, cca. 4.5-25 % Ta si diferența pana la 100 % Ti, suma elementelor Nb si Ta fiind 35 — 52 % in procente gravimetrice. Raportul Nb/Ta este intre 2 si 13. Aliajul conține cantitati limitate de elemente interstitiale netoxice cum sunt C, N, O care nu depasesc 0,5 % in greutate. Proporțiile relative intre Ti, Zr, Ta, Nb asigura un modul de elasticitate mai mic de 65 GPa, in general intre 50 si 60 GPa. In procente atomice compoziția se incadreaza in limitele 22 - 30 % Nb + Ta si 2 - 9 % Zr. Aceste aliaje se obțin prin procedeul de topire in cuptor cu arc sau in plasma.

Brevetul US 6607693, publicat in 2003, autori Saito si alții, [2] se refera la un aliaj de titan cu elemente de aliere din grupa V, conținute in proporție de 30 - 60 %, domeniu considerat de inventatori favorabil obținerii unui modul elastic scăzut, sub 75 GPa, unei rezistente mecanice minime de 700 GPa si a unei deformatii elastice mari. Domeniile de utilizare sunt cele in care aceste proprietăți sunt cerute. Procedeul de obținere este prin metalurgia pulberilor.

Brevetul US 6979375, publicat in 2005, autori Furuta si alții, [3] se refera la aliaje cu baza titan (Ti min. 40 % in greutate), care conțin un element de aliere din grupa a IV-a (Zr, Hf), si/sau unul sau mai multe elemente din grupa a V-a (Nb, Ta, V) si 0,25 pana la 2,0 % in greutate din unul sau mai multe elemente interstitiale din grupul oxigen (O), azot (N), carbon (C). Aliajele au modul elastic scăzut, deformatie elastica mare, dar si rezistenta mecanica Înalta, comparativ cu aliajele convenționale la care de regula modulul elastic scăzut este corelat cu o rezistenta mecanica scăzută. Proiectarea compoziției unui aliaj care urmeaza sa aiba caracteristicile menționate, are in vedere numerele cuantice medii calculate pentru compoziția respectiva privind “Md” (nivelul de energie al orbitalului d pentru elementele din compoziție), care trebuie sa se încadreze in intervalul 2,43<Md<2,49 si “Bo” (ordinul de legătură intre elemente) care trebuie sa se încadreze in limitele 2,86<Bo<2,90, acești parametri “Md” si “Bo” fiind calculați cu metoda “DV-Xa”.

Brevetul EP 2140242 A, publicat in 2010, inventator Swapan Chakraborty, [4] se refera la senzori de presiune si mecanici din aliaj de titan superelastic. Aliajele superelastice cu baza titan propuse conțin un element din grupa a IV-a cum este zirconiul (Zr) sau hafniul (Hf), elemente din grupa a V-a cum sunt vanadiul (V), niobiul (Nb) sau tantalul (Ta) si un element interstitial cum este oxigenul, azotul sau carbonul. Elementele din grupa a IV-a (Zr sau Hf) contribuie la creșterea rezistentei mecanice si scăderea modulului elastic. Elementele

// /2014-- 0 0 9 4 4 0 3 -12- 2014 din grupa a V-a (V, Nb, Ta) contribuie la scăderea modulului elastic, iar elementele interstitiale (O, N, C) contribuie la creșterea rezistentei mecanice. Aliajul care are un modul elastic scăzut, rezistenta mecanica mare si capacitate mare de deformare elastica prezintă proprietăți bune de prelucrare la rece. Aliajul are compoziția in sistemul Ti - 24 at % (Nb+Ta+V) - (Zr, Hf) - O si are numărul mediu de electroni de valența (e/a = electroni/proportia de atomi) de cea. 4,24, valoarea ordinului de legătură Bo de cea. 2,86 2,90 (calculat cu metoda DV-Χα) si energia medie a electronilor de pe orbitalului „d”, valoarea Md de cca. 2,43 - 2,49. Exemple de compoziții, exprimate in procente atomice care satisfac aceste criterii sunt Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O si Ti-12Ta-9Nb-3V-Zr-O. Aliajele de titan superelastice deformate la rece au conform acestui brevet la temperatura ambianta o rezistenta mecanica care poate depăși 1200 GPa (de trei ori mai mare decât a otelului inoxidabil) si un modul elastic de 60 GPa (de cca. 4 ori mai mic decât al otelului inoxidabil). Datorita acestor proprietăți, aliajul poate fi utilizat cu rezultate mai bune decât otelul inoxidabil la execuția de senzori, avand caracteristici mecanice stabile pe un interval larg de temperaturi de 100-500 K.

Brevetul CN 102367523 A, publicat in 2012, [5] se refera la o metoda de topire pentru obținerea lingourilor de bioaliaje de titan fara elemente toxice (cum este vanadiul), care conțin elemente de aliere cu punct de topire înalt ca niobiu, tantal, molibden, precum si alte metale ca zirconiu sau staniu. Metoda consta in pregătirea electrozilor consumabili din materiile prime: burete de titan, prealiaje sub forma de bucăți, metale sub forma de benzi subțiri sau plăcute. Electrodul consumabil se obține prin asamblarea cu sudura in plasma si vacuum a unor blocuri cu secțiune patrata presate din burete de titan cu adaos dozat al metalelor de aliere. In cazul aliajelor cu niobiu, acest metal se adauga in proporția necesara sub forma de benzi subțiri cu care se împachetează blocurile presate. Pentru a obține un aliaj cu compoziție omogena, se executa topiri succesive in cuptor cu vid si electrod consumabil. Primul electrod consumabil este cel asamblat din materiile prime, după care se retopesc succesiv lingourile obținute la prima si a doua topire.

Expunerea invenției

Prezentarea problemei tehnice pe care o rezolvă invenția

Problema pe care o rezolvă invenția este obținerea unui aliaj superelastic cu baza titan in sistemul TiNbZrTaO, cu înalta biocompatibilitate si proprietăți mecanice superioare față de ’ Ζ Ο 1 4 - - O li <. /. / ζλ <2014-- 00944- ΙΟ

3 -12- 2014 titanul comercial pur si aliajele comerciale de titan folosite în prezent pentru implanturi, utilizând un procedeu de elaborare eficient, aplicabil la scara industriala.

Bioaliajul de titan, de tip β, cu proprietăți superelastice si buna rezistenta mecanica care face obiectul brevetului are în compoziție numai elemente de aliere netoxice cum sunt niobiul, zirconiul si tantalul, însumând 44 % (procente de greutate), iar conținutul de oxigen este controlat in domeniul 0,1 - 0,2 % (procente de greutate). Aliajul este obținut prin procedeul de topire în vid in cuptor cu arc si electrod consumabil. Materiile prime folosite sunt titan burete, niobiu tabla subțire, zirconiu burete sau bara, prealiaj Ti-60Ta bara, TiO2 pigment. In electrodul consumabil pentru prima topire, materiile prime sunt astfel introduse incat sa asigure omogenitatea distribuției acestora in lingoul care se va obține. Lingoul de la prima topire este retopit in același tip de cuptor, in condiții similare, pentru a imbunatati omogenitatea chimica si structurala a lingoului produs finit.

Prezentarea soluției tehnice

Aliajul care face obiectul invenției conține titan, niobiu, zirconiu si tantal într-o proporție aleasă astfel încât să îi asigure pe lângă o înaltă biocompatibilitate și proprietățile de superelasticitate corelate cu o buna rezistenta mecanica, adecvate pentru utilizarea la execuția implanturilor portante. Compoziția medie de calcul a aliajului, în procente de greutate, este niobiu (Nb) 36,5 %, zirconiu (Zr) 4,5 %, tantal (Ta) 3 % si oxigen (O) 0,16 %, titan (Ti) diferența pana la 100 %. Aliajul are compoziția medie in procente atomice Ti, 24 % Nb, 3 %

Zr, 1 % Ta, 0,6 % O si satisface cerințele privind numerele cuantice medii care asigura aliajelor de titan o structura de tip β cu proprietățile mecanice dorite de superelasticitate si înalta rezistenta mecanica. Pentru acest aliaj numărul mediu de electroni de valența (e/a = electroni/proportia de atomi) este 4,24, încadrat in valoarea medie 4,24, valoarea ordinului de legătură Bo este 2,88, situata in intervalul 2,86 - 2,90, iar energia medie a electronilor de pe orbitalului „d”, valoarea Md este 2,45, situata in intervalul 2,43 - 2,49 [4], calculul fiind realizat cu valorile Bo si Md pentru fiecare element din compoziția aliajului [6].

Metoda de elaborare a aliajului este topirea în vid, în cuptor cu arc si electrod consumabil.

Procedeul de elaborare a aliajului cuprinde următoarele faze tehnologice:

• Obținerea electrodului consumabil:

- pregătirea materiilor prime (titan burete, niobiu tabla subțire, zirconiu burete sau bara, prealiaj Ti-60Ta bara, TiO2 pigment) prin curatare si debitare;

Λ.Α « iV 2 O 1 4 - - 009440 3 -12- 2014

- dozarea cantitatilor de materii prime conform calcului de șarja;

- pregătire electrod consumabil cilindric prin presare in porții, in care dozajul respecta compoziția aliajului;

- consolidarea electrodului astfel obtinut prin sudarea pe generatoare in instalație de sudare cu plasma in incinta vidata;

- sudarea la un capat al electrodului a unei piese pentru legătură dintre electrod si port electrod.

• Obținere lingou de prima topire:

- topirea electrodului consumabil in cuptor cu arc in vid, cu obținerea unui lingou de prima topire cu diametru mai mare decât al electrodului utilizat;

- taierea retasurii de contracție de la topire.

• Obținerea electrodului de la a doua topire

- retopirea lingoului de prima topire, pentru imbunatatirea omogenității chimice si structurale; retopirea se face in aceleași condiții ca si prima topire;

- debitarea retasurii si a amorsei (partea de la căpătui lingoului obtinuta la inițierea topirii), cojirea pe generatoare pana la material curat, control defectoscopic pentru detectarea defectelor de structura (cu lichide penetrante si ultrasonic) si prelevarea de probe pentru analiza chimica.

Prezentarea avantajelor invenției în raport cu stadiul tehnicii Invenția prezintă următoarele avantaje:

- Aliajul propus, din sistemul TiNbZrTaO, este constituit numai din elemente cu înalta biocompatibilitate, ceea ce asigura implanturilor executate din acest material o durata mai lunga de viata in corpul pacientilor fara efecte secundare, comparativ cu cele din otel inoxidabil sau din aliaje de titan care conțin elementele toxice ca Al si/sau V.

Compoziția sa, avand in procente atomice Ti-24Nb-3Zr-lTa-0,6O, cu un raport Nb/Ta = 24, diferit de a celor din același sistem care au fost brevetate, cum ar fi fata de cea a aliajul TNTZO Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O [4], care are un raport Nb/Ta = 32,9 sau fata de cea a aliajelor superelastice pentru implanturi spinale [1] pentru care se revendica un raport Nb/Ta = 1,9 - 16. Compoziția aliajului propus, care in procente gravimetrice este Ti-36,5Nb-4,5Zr3Ta-0,16O, are un conținut de Ta apropiat de cel al aliajului TNTZO, dar mai scăzut decât intervalul 4,5 - 25 % revendicat in brevetul privind aliaje din acest sistem pentru protetica [1] si un conținut de oxigen mai scăzut decât intervalul 0,2 - 2,5 % revendicat in brevetul privind aliaje de titan cu oxigen controlat [3]. Conținutul mat redus de tantal in aliajul propus este

*

«,- 2 Ο U - - 0 0 9 Η Ο 3 -12- 2ΒΗ avantajos din punct de vedere economic, privind consumul de energie la elaborare si prețul materiilor prime, tantalul fiind un metal scump.

- Aliajul este de tip β, cu proprietăți superelastice, care asigura implanturilor executate din acest material transmiterea solicitărilor mecanice la os, evitând fenomenul de ecranare care provoacă atrofierea osului, iar rezistenta mecanica buna evita apariția particulelor fine de uzura in articulații. Aceste caracteristici nu le au materialele metalice comerciale curente pe piața (otelul inoxidabil, aliajele in sistemul Co-Cr-Mo, titanul comercial pur si aliajele de titan cu Al si V).

- Procedeul de elaborare propus, prin topire în vid, în cuptor cu arc si electrod consumabil, are avantajul posibilității de aplicare industriala pentru obținerea unor lingouri cu diametre mari (500 - 600 mm). Deși procedeul si tipul de utilaj pentru topire sunt cunoscute, organizarea fluxului tehnologic si succesiunea propusa a operațiilor asigura omogenitatea chimica si structurala a lingoului produs finit, precum si controlul conținutului de oxigen, care contribuie la buna rezistenta mecanica a aliajului. La obținerea aliajului, tantalul se introduce in șarja ca prealiaj Ti-60Ta, care are temperatura de topire cca. 2000 °C, mult mai scăzută decât cea de topire a tantalului care este cca. 3000 °C, reducandu-se astfel consumul de energie. Procedeul de elaborare in vid a aliajului evita contaminarea cu gaze si alte impurități a lingoului produs finit. Fata de alte brevete [5], sunt diferente la faza de realizare a electrodului consumabil alimentat la topire, obtinandu-se direct un electrod cu secțiune circulara, cu o distribuție uniforma a elementelor componente, ceea ce contribuie la omogenitatea compoziției chimice si structurale a lingoului.

Prezentarea figurilor

Figura 1 prezintă o schema cu fazele procesului tehnologic de elaborare a aliajului Ti36,5Nb-4,5Zr-3Ta-0,16O (in greutate) prin procedeul de topire in vid in cuptor cu arc si electrod consumabil.

Exemplu de realizare

Aliajul care se obține prin procedeul propus este de tip β, in sistemul TiNbZrTaO, cu compoziția chimică medie in procente de greutate Ti-36,5Nb-4,5Zr-3Ta-0,16O, conținutul de oxigen fiind controlat pana la maxim 0,2 %. Aliajul cu aceasta compoziție are un modulul de elasticitate in stare turnata de 58 GPa. si o rezistenta mecanica de 670 MPa.

Procedeul de elaborare a aliajului Ti-36,5Nb-4,SZr-3Ta-0,16O

Fazele tehnologice ale procedeului de obținere a aliajului

ZIROM * vV

^-2014-- 0 0 9 4 4 0 3 -12- 20Η • Obținerea electrodului consumabil cuprinde următoarele operații:

- pregătirea materiilor prime (titan burete, niobiu tabla subțire, zirconiu burete sau bara, prealiaj Ti-60Ta bara) prin curatare si debitare;

- dozarea prin cântărire a materiilor prime conform calculului de șarja;

- presarea electrozilor pentru topire;

- consolidarea electrodului prin sudarea pe generatoare in instalație de sudare cu plasma in incinta vidata.

• Obținere lingou de prima topire in cuptor cu arc in vid:

- incarcara electrodului in cuptorul de topire;

- vidarea instalației;

- topirea electrodului;

- racirea in vid a aliajului solidificat;

- extragerea lingoului de prima topire;

- debitarea retasurii de contracție.

• Obținerea electrodului de la a doua topire in cuptor cu arc in vid:

- obținerea electrodului pentru retopire prin sudarea a doua lingouri de prima topire;

- incarcarea electrodului in cuptor pentru retopire;

- vidarea instalației;

- retopirea pentru omogenizarea compoziției;

- racirea in vid a lingoului retopit;

- extragerea lingoului retopit.

• Condiționarea lingoului produs finit si controlul calitatii:

- control defectoscopic (cu lichide penetrante si ultrasonic);

- debitare capete si strunjire pe generatoare pana la material curat;

- prelevarea probelor si caracterizarea chimica a materialului obtinut.

Materii prime

Destinația sa speciala, pentru aplicații medicale, impune un continui redus de impurități in aliaj, care se poate obține utilizând materii prime de înalta puritate, care sa respecte următoarele cerințe de calitate:

titan burete cu compoziția conform ASTM B299-13;

- niobiu comercial nealiat cu compoziția conform ASTM B393 - 09el grad R04210 tip 2; tabla cu grosime maxima imm;

» v-v

£Κ“ 2 O U - · 009440 3 -12- 2014

- zirconiu burete cu compoziția conform ASTM B 349-09 sau zirconiu metalic,

99,6 % cu compoziția: 0,01 % Fe, 0,035 % Si, 0,03 % Mo, 0,05 % W, 0,01 % Ti, 0,02 % Ni, 0,02 % O₂, 0,01 % C, 0,0015 % H₂, 0,01 % N₂, 0,2 % Nb, rest zirconiu; bare subțiri;

prealiaj Ti-60Ta pentru aplicații medicale; bare subțiri;

TiO₂ pigment, 99,9 % TiO₂, cu 40 % oxigen; pulbere.

Echipamente

Operațiile tehnologice principale ale procedeului propus necesita următoarele echipamente:

Presa hidraulica pentru presare electrozi, cu forța specifica de presare 5,7 - 9 bar/dm²;

Instalație de sudare cu plasma pentru consolidare electrozi presați, incinta închisa, atmosfera de argon 250 - 350 torr;

Cuptor de topire cu arc in vid si electrod consumabil, vid IO'² - 10'³ torr, temperatura maxima de lucru 2500°C, creuzete din aliaj CuZr răcit cu apa;

- Pentru pregătirea si dozarea materiilor prime, precum si pentru condiționarea lingourilor sunt necesare echipamente de uz general pentru aceste operații (echipamente de debitare ca ferăstrău, foarfecă, dalta etc, strung).

Descrierea procesului si parametrii tehnologici

Materiile prime care necesita pregătire sunt Nb, Zr, prealiaj Ti-60Ta. Metalele sub forma de tabla sau bare subțiri se debitează in bucăți cu dimensiunile de maxim 10x5 x 5 mm si se degreseaza in solvenți organici volatili (acetona) pentru îndepărtarea eventualelor urme de grăsimi superficiale ce ar putea afecta calitatea atmosferei de protecție din incinta cuptorului si in același timp calitatea aliajului topit.

Dozarea materiilor prime sa face prin cântărire in porții de 40 kg, corespunzător compoziției de calcul a aliajului, considerând o pierdere la elaborare pentru titan de 5 % (prin evaporare la topire). Celelalte elemente (Nb, Zr, Ti-Ta) care in condiții de vid au tensiuni de vapori mai mari decât titanul, nu înregistrează pierderi la topire si nu necesita adaosuri suplimentare la dozare.

Adaosul de TiO₂ pigment pentru controlul conținutului de oxigen in compoziția aliajului se dozeaza ținând seama si de aportul de oxigen din materiile prime metalice utilizate.

r dC2 014 - - 0 0 9 4 4 0 3 -12- 20H

Porțiile de materii prime cântărite se alimentează in matrita presei hidraulice pentru realizarea electrozilor destinați topirii in cuptorul cu arc in vid. Pentru o distribuție uniforma a elementelor de aliere in electrodul presat alimentarea acestora in matrita presei se face in fiecare porție in următoarea ordine: burete de titan (cca. '/₂ din cantitate), niobiu metalic (cca. Vi din cantitate), zirconiu metalic sau burete, prealiaj Ti-Ta, TiO2, niobiu metalic (restul) si burete de titan (restul).

Se obțin bare presate cu diametru 350 mm si lungime maxima 3025 mm, utilizați ca electrozi consumabili la topire.

Electrozii obținuți se ambaleaza în containere in atmosfera de argon, pentru evitarea impurificarii cu gaze din atmosfera și se transporta la instalația de sudare.

Pentru consolidarea electrozilor presați se impune executarea a trei cordoane longitudinale de sudura pe generatoare, decalate la 120°. Sudura in plasma se realizează in atmosfera de argon, nivelul de vacuum de cca. 250 - 350 torr din incinta de sudura fiind menținut cu pompe de vid care asigura evacuarea gazelor. Electrodul rezultat se răcește in instalația de sudura in atmosfera de argon.

Electrodul consolidat cu diametrul de 350 mm, se topește in cuptorul cu arc in vid cu electrod consumabil, in creuzet cu diametru 440 mm la o presiune a gazelor remanente de 10 -10'³ torr in incinta de topire, cu un current de 15 kA, la o putere de 450 kW. Agitarea aliajului lichid pentru omogenizarea compoziției se realizează in câmpul magnetic creat de bobina de inducție a cuptorului. După topire lingoul de aliaj se răcește cu apa din circuitul de răcire a creuzetului, menținând vidul.

Lingoul răcit se evacueaza din cuptor si se debitează capetele (amorsa si retasura de contracție), după care se incarca din nou in cuptor pentru retopirea care realizează omogenizarea avansata a compoziției.

Retopirea se face in aceleași condiții si la aceiași parametrii ca si prima topire, utilizând un creuzet cu diametru mai mare decât al lingoului de prima topire, respectiv 500 mm.

Lingoul răcit se evacueaza din cuptor. Se efectuează control defectoscopic cu lichide penetrante si ultrasonic pentru detectarea golurilor si porilor din structura lingoului. Se debitează capetele (amorsa si retasura de contracție), se strunjeste pe generatoare 3-5 mm pe raza pana la material curat. Se prelevează probe pentru analiza compoziției chimice.

Analiza chimica a aliajului obtinut

c\ 2 Ο 1 4 - - 00944fl 3 -12- 2014

Compoziția rezultata se determina prin analiza chimica prin spectrometrie de emisie optica in plasma, cu plasma cuplata inductiv (ICP - OES).

Analiza chimica a aliajului Ti-36,5Nb-4,5Zr-3Ta-0,16O (inprocente de greutate)

Elementul	%
Niobiu	36,45 -36,55
Zirconiu	4,45-4,55
Tantal	2,95-3,05
Oxigen	0,15-0,17
Titan	rest

6(-2014-- 0 0 9 4 4 0 3 -12- 2014

Procedeu de obținere bioaliaj de titan cu proprietari superelastice pentru implanturi portante

Claims (3)

1. REVENDICĂRI

   Procedeu de obținere a unui bioaliaj de titan cu proprietăți superelastice pentru implanturi portante caracterizat prin aceea ca:

   1. Aliajul care se obține prin procedeul propus este de tip β, din sistemul TiNbZrTaO, conține elemente care au o buna biocompatibilitate, are compoziția chimică medie in procente de greutate 55,84 % Ti, 36,5 % Nb, 4,5 % Zr, 3 % Ta, 0,16 % O, conținutul de oxigen fiind controlat, si are in stare turnata modulul de elasticitate de 58 GPa iar rezistenta mecanica de 670 MPa.
2. 2. Procedeul de elaborare a aliajului pe bază de titan cu compoziția chimică conform revendicării 1 cuprinde următoarele faze tehnologice: pregătirea si dozarea materiilor prime care intra in compoziția aliajului - titan burete, niobiu tabla subțire cu grosime de max lmm, zirconiu burete sau bara, prealiaj Ti-60Ta bara subțire -, presarea in porții a materiilor prime dozate conform calculului de șarja, pentru obținerea unui electrod presat constituit din materiile pregătite si adaos de TiCb pigment, consolidarea electrodului astfel obtinut prin sudarea pe generatoare in instalație de sudare cu plasma in incinta vidata, topirea electrodului in cuptor cu arc in vid si obținerea unui electrod de prima topire cu diametru mai mare decât al electrodului presat, taierea retasurii de contracție, retopirea lingoului de prima topire pentru imbunatatirea omogenității chimice si structurale, taierea retasurii, cojirea pe generatoare a lingoului de la a doua topire pana la material curat, prelevarea de probe pentru analiza chimica, control ultrasonic pentru detectarea defectelor de structura.
3. 3. Controlul conținutului de oxigen in aliajul cu compoziția conform revendicării 1 se face pe baza calcului compoziției aliajului, avand in vedere aportul de oxigen adus de titan si elementele de aliere si completarea in funcție de necesitați cu o cantitate de T1O2 dozata in porțiile de la presarea electrodului pentru prima topire.