การวิเคราะห์ข้อบกพร่องของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ทางการแพทย์

บทคัดย่อ: พบว่าแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ทางการแพทย์บางแผ่นมีข้อบกพร่องของแถบสว่างทะลุผ่านได้ในระหว่างการตรวจสอบด้วยกำลังขยายต่ำ วิเคราะห์ประเภทและสาเหตุของข้อบกพร่องโดยการตรวจทางโลหะวิทยา การวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด การวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน และการทดสอบความแข็ง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าข้อบกพร่องนี้เป็นข้อบกพร่องในการแยกองค์ประกอบที่อุดมด้วยไทเทเนียม + คั่นระหว่างหน้า ซึ่งเกิดจากขนาดอนุภาคที่ไม่สม่ำเสมอของฟองน้ำไทเทเนียมและการกระจายตัวของส่วนผสมโลหะผสมระดับกลางที่ไม่สม่ำเสมอในระหว่างกระบวนการผลิตแท่งโลหะผสมไทเทเนียม ขอแนะนำให้ลดหรือกำจัดข้อบกพร่องนี้โดยการควบคุมวัตถุดิบและกระบวนการถลุง ข้อบกพร่อง

โลหะผสมไทเทเนียม TC４ELI ได้กลายเป็นวัสดุปลูกฝังในการผ่าตัดทางการแพทย์เนื่องจากมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ ความหนาแน่นต่ำ คุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนที่ดี ปลอดสารพิษ ความแข็งแรงที่ให้ผลผลิตสูง อายุการล้าที่ยาวนาน ความเป็นพลาสติกขนาดใหญ่ในห้อง อุณหภูมิและการขึ้นรูปง่าย วัสดุที่เหมาะสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ [1-2] แผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ทางการแพทย์ส่วนใหญ่ใช้ในการซ่อมแซมกะโหลกศีรษะ การปลูกถ่ายกระดูก ฯลฯ ซึ่งมีความต้องการด้านความแข็งแรง อายุความเมื่อยล้า ความเป็นพลาสติก ฯลฯ สูงกว่า ตามข้อมูลของ GB/T 13810-2017«การผ่าตัดปลูกถ่ายไทเทเนียมและการประมวลผลโลหะผสมไทเทเนียม วัสดุสำหรับการใช้งานทางการแพทย์» หากพบการแยกส่วน การรวมโลหะหรืออโลหะ และข้อบกพร่องทางโลหะวิทยาอื่น ๆ ที่มองเห็นได้ในโครงสร้างกำลังขยายต่ำของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้ในผลิตภัณฑ์ปลูกถ่าย ชุดผลิตภัณฑ์จะถูกตัดสินว่าไม่มีคุณสมบัติ การแยกส่วน เป็นการรวมตัวกันขององค์ประกอบไมโครภูมิภาคที่ไม่สม่ำเสมอของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมในโครงสร้าง แผ่นเพลท TC4ELI ทางการแพทย์เป็นโลหะผสมไททาเนียมสองเฟสชนิด + หากองค์ประกอบในระดับจุลภาคไม่เท่ากันจะทำให้เกิดความผิดปกติในโครงสร้างมหภาคและจุลภาคทำให้เกิดความผิดปกติ มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความแข็งระหว่างพื้นที่ปกติและพื้นที่ปกติ ซึ่งจะนำไปสู่ประสิทธิภาพโดยรวมที่ไม่สม่ำเสมอของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียม ซึ่งช่วยลดความแข็งแรงของวัสดุ อายุความล้า และความเป็นพลาสติก และท้ายที่สุดจะนำไปสู่ความล้มเหลวของวัสดุตั้งแต่เนิ่นๆ [{{ 13}}].

ในระหว่างการสังเกตด้วยกำลังขยายต่ำของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ทางการแพทย์บางแผ่น พบว่ามีบริเวณรูปทรงแถบที่ผิดปกติซึ่งมีความกว้างประมาณ 5 มม. เมื่อส่วนหนึ่งถูกดักจับและสังเกตด้วยกำลังขยายต่ำ พบว่าบริเวณที่มีรูปร่างเป็นแถบเป็นแถบสว่าง เพื่อระบุประเภทของข้อบกพร่องได้อย่างถูกต้อง จำเป็นต้องระบุข้อบกพร่อง ผู้เขียนได้ตรวจสอบและวิเคราะห์สาเหตุแล้ว

1 การทดสอบทางกายภาพและเคมี
1.1 การตรวจทางโลหะวิทยา
ใช้ผู้สังเกตการณ์ กล้องจุลทรรศน์โลหะวิทยา ZEISS ประเภท AIM ถูกนำมาใช้ในการตรวจสอบทางโลหะวิทยาของพื้นที่แถบสว่างและพื้นที่ปกติของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 2 พื้นที่แถบสว่างเป็นโครงสร้างสมดุลเฟสเดียว ซึ่งแสดงลักษณะโครงสร้างคล้ายการแยกส่วน ในขณะที่พื้นที่ปกติอยู่ในโครงสร้างของโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ทั่วไปที่ประมวลผลในพื้นที่ + สองเฟส ขอบเขตเกรนดั้งเดิมทั้งหมดขาดหมด จึงสามารถระบุได้ว่าบริเวณแถบสีสว่างนั้นเป็นข้อบกพร่องจากการแยกส่วน

1.2 การวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนการปล่อยสนามเย็น JSMG6700 (SEM) ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของพื้นที่แถบสว่างและพื้นที่ปกติของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 3 โครงสร้างสมดุลเฟสเดียวในพื้นที่แถบสว่างมีความชัดเจนมากขึ้น และพื้นที่ปกติแสดงให้เห็น + ลักษณะของโครงสร้างที่ประมวลผลของพื้นที่สองเฟสนั้นสอดคล้องกับผลการตรวจสอบทางโลหะวิทยา และ มีการพิจารณาเพิ่มเติมว่าบริเวณแถบสว่างเป็นข้อบกพร่องในการแยก

1.3 การวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน
พลังงานสเปกโตรมิเตอร์ (EDS) ที่ติดอยู่กับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ส่วนประกอบย่อยบนพื้นที่แถบสว่างและพื้นที่ปกติของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ผลการวิเคราะห์แสดงไว้ในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าปริมาณวานาเดียมในพื้นที่ปกติสูงกว่าค่ามาตรฐานเล็กน้อย นอกจากนี้ เนื้อหาขององค์ประกอบอื่นๆ ยังเป็นไปตามข้อกำหนดของ GB/T 36201-2016 "เกรดโลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมและองค์ประกอบทางเคมี"; ปริมาณไทเทเนียม อลูมิเนียม และวานาเดียมในบริเวณแถบสว่างไม่อยู่ในช่วงมาตรฐาน และมีปริมาณไทเทเนียมสูงอย่างเห็นได้ชัด อะลูมิเนียมไม่ดีและวานาเดียมไม่ดี และปริมาณองค์ประกอบออกซิเจนเป็นขีดจำกัดด้านบนของช่วงมาตรฐาน มีการตัดสินว่าแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI มีข้อบกพร่องในการแยกตัวที่อุดมด้วยไทเทเนียม

1.4 การทดสอบความแข็ง
การแยกโลหะผสมไททาเนียมสามารถแบ่งออกเป็นการแยกแบบแข็ง (ความแข็งของส่วนที่แยกจะสูงกว่าความแข็งของโซนปกติหรือที่เรียกว่าการแยกแบบเปราะ) และการแยกแบบอ่อน (ความแข็งของส่วนที่แยกจะต่ำกว่าความแข็งของ โซนปกติ) ตามความแตกต่างระหว่างความแข็งของส่วนที่แยกและโซนปกติ หรือที่เรียกว่าการแยกแบบไม่เปราะ) ทำการทดสอบความแข็งแบบไมโคร-วิคเกอร์บนบริเวณแถบสว่างและพื้นที่ปกติของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI ผลลัพธ์ที่วัดได้คือ 383HV และ 327HV ตามลำดับ จะเห็นได้ว่าความแข็งของบริเวณแถบสว่างนั้นสูงกว่าบริเวณปกติอย่างมาก ประเภทการแยกในพื้นที่แถบสว่างคือการแยกแบบเปราะ[11]
2 การวิเคราะห์และการอภิปราย
บริเวณแถบสว่างของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI เป็นข้อบกพร่องในการแยกจากกัน ข้อบกพร่องนี้เกิดจากการผสมอนุภาคโลหะผสมขั้นกลางที่ไม่สมบูรณ์ เป็นการแยกที่อุดมด้วยไทเทเนียม แต่ไม่ใช่การแยกส่วนที่อุดมด้วยไทเทเนียมทั่วไป เนื่องจากความแข็งของพื้นที่การแยกที่อุดมด้วยไทเทเนียมควรต่ำกว่าพื้นที่ปกติ [12] และความแข็งของพื้นที่ข้อบกพร่องการแยก ( พื้นที่แถบสว่าง) ของแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI สูงกว่าพื้นที่ปกติ ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะของการแยกองค์ประกอบสิ่งของคั่นระหว่างหน้า องค์ประกอบคั่นระหว่างหน้าหมายถึงออกซิเจน คาร์บอน และไนโตรเจนโดยเฉพาะ องค์ประกอบ ปริมาณออกซิเจนในปริมาณสูงในบริเวณที่มีข้อบกพร่องในการคัดแยกช่วยยืนยันผลลัพธ์นี้ได้ การเพิ่มองค์ประกอบคั่นระหว่างหน้าจะเพิ่มอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงเฟสเบต้าของโลหะผสมไททาเนียม เพิ่มความแข็งของเฟสอัลฟา และทำให้วัสดุเปราะ โดยสรุป TC4ELI ไทเทเนียม ประเภทของข้อบกพร่องการแยกส่วนในแผ่นโลหะผสมคือการแยกองค์ประกอบที่อุดมด้วยไทเทเนียม + การแยกองค์ประกอบคั่นระหว่างหน้า
สาเหตุของข้อบกพร่องในการแยกนี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับกระบวนการถลุงโลหะผสมไทเทเนียม ข้อบกพร่องในการคัดแยกได้เกิดขึ้นแล้วในการผลิตแท่งโลหะ ในปัจจุบัน สถานประกอบการผลิตโลหะผสมไทเทเนียมของจีนโดยทั่วไปใช้วิธีการถลุงเตาอาร์คไฟฟ้าแบบบริโภคสูญญากาศการหลอมสูญญากาศสามรอบ ซึ่งดำเนินการในระหว่างกระบวนการเตรียมอิเล็กโทรด การใช้งานที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่การปนเปื้อนของโลหะหรือการก่อตัวของออกไซด์และไนไตรด์ที่ทนไฟได้ง่าย การเลือกกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เหมาะสมจะทำให้โซนหลอมเหลวไม่สามารถรักษาสมดุลทางความร้อนในระหว่างกระบวนการหลอม และยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความลึกของสระหลอมเหลว ส่งผลให้ฟองน้ำไทเทเนียมมีขนาดอนุภาคไม่เท่ากัน การกระจายตัวของส่วนผสมโลหะผสมหลักที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้เกิดการเสริมสมรรถนะและการลดลงขององค์ประกอบโลหะผสมในพื้นที่เฉพาะของวัสดุ ส่งผลให้จุดเปลี่ยนเฟสในพื้นที่นี้เบี่ยงเบนไป ในระหว่างกระบวนการแปรรูปแบบร้อนในเวลาต่อมา มันจะค่อยๆ พัฒนาเป็นโครงสร้างที่ผิดปกติและก่อให้เกิดข้อบกพร่องในการแยกจากกัน [12G18].
3 ข้อสรุปและข้อเสนอแนะ
แผ่นโลหะผสมไทเทเนียม TC4ELI มีข้อบกพร่องในการแยกองค์ประกอบที่อุดมด้วยไทเทเนียม + คั่นระหว่างหน้า ข้อบกพร่องนี้เกิดจากขนาดอนุภาคที่ไม่สม่ำเสมอของฟองน้ำไทเทเนียมและการกระจายตัวของส่วนผสมโลหะผสมระดับกลางที่ไม่สม่ำเสมอในระหว่างกระบวนการผลิตแท่งโลหะผสมไทเทเนียม
ขอแนะนำให้ลดหรือกำจัดข้อบกพร่องดังกล่าวโดยเสริมการควบคุมวัตถุดิบและส่วนผสม รวมถึงการเลือกแรงดันและกระแสในระหว่างการเตรียมอิเล็กโทรดและกระบวนการถลุง
อ้างอิง:
[1] หยิน ตงฟาง, หวง อี้เฟย การวิจัยเกี่ยวกับความเข้ากันได้ทางชีวภาพของโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์[J] วารสารวิจัยทางการแพทย์, 2551, 37(10):96G97.
[2] Li Jun, Wei Jianhua, Zhang Yumei ฯลฯ การประเมินความเข้ากันได้ทางชีวภาพของโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์ใหม่ [J] วารสารทันตกรรมเชิงปฏิบัติ, 2010, 26(5): 636G640.
[3] Wang Weimin, Lin Shaohua, Cao Jimin ฯลฯ ผลของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยความร้อนต่อโครงสร้างจุลภาคของแท่งโลหะผสม TC4 ทางการแพทย์[J] ความก้าวหน้าของอุตสาหกรรมไทเทเนียม, 2012, 29 (3): 14G18
[4] Wang Weimin, Lin Shaohua, Li Lei ฯลฯ องค์ประกอบ โครงสร้าง และคุณสมบัติทางกลของแท่งโลหะผสม Ti6Al4V (ELI) สำหรับการปลูกถ่ายศัลยกรรม [J] วารสารจีนเรื่องโลหะนอกกลุ่มเหล็ก, 2010, 20(S1): 555G559
[5] Yu Zhentao, Yu Sen, Zhang Minghua และคณะ สถานะปัจจุบันและความคืบหน้าของการออกแบบ การพัฒนา และการประยุกต์ใช้วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์ใหม่สำหรับการปลูกถ่ายศัลยกรรม [J] ความก้าวหน้าด้านวัสดุของจีน, 2010, 29(12):35G51.
[6] Ma Xiqun, Yu Zhentao, Niu Jinlong และคณะ ความคืบหน้าการวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติของโลหะผสมไทเทเนียมชีวการแพทย์ใหม่[J] วิศวกรรมชีวการแพทย์และคลินิก 2013, 17(6):610G615.
[7] Bai Pengfei, Min Xiaohua, Tao Xiaojie ฯลฯ การควบคุมโครงสร้างจุลภาคและประสิทธิภาพการหดตัวของเล็บรูปตัว U ของแท่งโลหะผสมไทเทเนียม TC4 ทางการแพทย์ [J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ปริมาตรฟิสิกส์), 2013, 49(2):117-118
[8] Li Rong, Wei Dong, Xu Lu และคณะ การวิเคราะห์ความล้มเหลวของการแตกหักของแผ่นกระดูกโลหะผสมไทเทเนียม TA3 สำหรับการผ่าตัดปลูกถ่าย [J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ฟิสิกส์), 2559, 52 (12): 897G899
[9] Wei Fenrong, Fan Yajun, Wang Hai ฯลฯ การวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติของโลหะผสมไทเทเนียม TiG6AlG4VELI สำหรับลวดบนสันหลัง[J] เทคโนโลยีการประมวลผลด้วยความร้อน, 2014, 43(4):98G 102.
[10] Li Hui, Qu Hennglei, Zhao Yongqing ฯลฯ การวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกลของแผ่นโลหะผสม TiG6AlG4V ELI[J] ความก้าวหน้าของอุตสาหกรรมไทเทเนียม, 2548, 22(6):24G27.
[11] จาง หลี่, เซิน เหลียง, หลี่ รุ่ยเหวิน และคณะ การทดสอบความแข็งด้วยกล้องจุลทรรศน์วิคเกอร์ของโซนการตกตะกอนในเฟสที่อุดมไปด้วยไทเทเนียมของโลหะผสม VG5CrG5Ti[J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ปริมาตรฟิสิกส์), 2014, 50(9): 651G654
(12) เหอชุนหยาน, จูเจี้ยนเหวิน, จูคังผิง การวิเคราะห์ข้อบกพร่องการแยกส่วนทั่วไปใน - แท่งโลหะผสมไทเทเนียมสองเฟส[J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ฟิสิกส์) 2556 49(4): 247G250
[13] Zhang Lijun, He Chunyan, Xue Xiangyi ฯลฯ ตัวอย่างการวิเคราะห์ข้อบกพร่องทางโลหะวิทยาของโลหะผสมไทเทเนียม [J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ปริมาตรฟิสิกส์), 2013, 49(12): 819G822, 826.
[14] Cai Jianming, Zhang Wangfeng, Li Zhenxi ฯลฯ ลักษณะและการควบคุมแถบสว่างและสีเข้มบนใบมีดโลหะผสมไทเทเนียม TC11[J] วิศวกรรมวัสดุ, 2548, 33(1): 16G19.
(15) หลิว จุน, ถัง กวงปิง, หยาง กุ้ยจู่ การวิเคราะห์ข้อบกพร่องของเส้นสีสว่างในแท่งโลหะผสมไทเทเนียม TC4[J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ฟิสิกส์) 2554 47(10): 646G 648
[16] อู๋ จุนเฟิง การวิเคราะห์สาเหตุของการแตกร้าวของแท่งโลหะผสมไทเทเนียม TC11 [J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ปริมาตรฟิสิกส์), 2012, 48(5): 331-333
[17] จู้ หมิงเต๋อ, เซิน ยี่นัว การวิเคราะห์ความล้มเหลวของการแตกหักของสลักเกลียวโลหะผสมไทเทเนียมกำลังสูง [J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ปริมาตรฟิสิกส์), 2551, 44(8): 446G450
[18] ชิ เซียวลี่, ชี่ เฟิงจุน, มู่หยิง ​​และคณะ การวิเคราะห์สาเหตุของการแตกหักของลวดนิกเกิล-ไททาเนียม[J] การทดสอบทางกายภาพและเคมี (ปริมาตรฟิสิกส์), 2018, 54(11):829G832.