Taljenje i lijevanje legure titana Ti-13Nb-13Zr: peći, lončići i sustavi kalupa
Apr 01, 2024
Ti-13Nb-13Zr je legura blizu beta titana razvijena za biomedicinske implantate i navedena u ASTM F1713. Njegovi dodaci niobija i cirkonija proizvode nizak modul elastičnosti (oko 74-80 GPa, blizu kortikalne kosti), eliminiraju aluminij i vanadij iz sastava i održavaju izvrsnu otpornost na koroziju i biokompatibilnost. Taljenje i lijevanje ove reaktivne legure zahtjevno je jer titan u tekućem stanju brzo reagira s kisikom, dušikom, vodikom i ugljikom. Ovaj vodič objašnjava puteve taljenja, sustave lonaca i kalupe koji se koriste za proizvodnju dobrih Ti-13Nb-13Zr ingota i odljevaka.
1. Pozadina legura i standardi materijala
Titan je deveti najzastupljeniji element u Zemljinoj kori i četvrti najzastupljeniji strukturni metal, nakon aluminija, željeza i magnezija. Ti-13Nb-13Zr pripada obitelji legura beta-tipa niskog-modula: niobij (13,5-15,5 %) stabilizira i jača beta fazu, dok cirkonij (5,5-8,5 %) osigurava ojačanje čvrste otopine i otpornost na koroziju bez ugrožavanja biokompatibilnosti. Legura je pokrivena standardom ASTM F1713 (kovana šipka, žica i otkovci za kirurške implantate), a lijevani ili kovani oblici koriste se za implantate kuka i koljena, ploče za fiksiranje prijeloma i dentalne komponente. Budući da legura ne sadrži vanadij ili aluminij, izbjegava dugoročne probleme citotoksičnosti povezane s Ti-6Al-4V u nekim primjenama implantata.
2. Metode taljenja legura titana
Tekući titan nikada ne smije doći u kontakt s vatrostalnim oksidnim oblogama ili zrakom, pa se taljenje izvodi pod visokim vakuumom ili inertnim plinom (argonom) pomoću bakrenih lonaca hlađenih vodom. Koriste se tri glavne rute:
Taljenje luka nepotrošne elektrode: volframova ili grafitna elektroda topi naboj u vodeno{1}}hlađenom bakrenom ložištu; ovaj put se uglavnom koristi za pripremu elektroda za naknadno taljenje potrošnog materijala.
Vakuumsko lučno taljenje potrošne elektrode (VAR): prethodno-zbijena i zavarena elektroda od titana ili legure titana je katoda, a vodom-bakreni lončić je anoda. Luk topi vrh elektrode, koji kaplje u rastaljenu lokvicu; površina bazena se zagrijava pomoću luka dok se dno i stijenke prisilno hlade, proizvodeći skrućivanje od dna-gore u čvrsti ingot. VAR je radni konj za proizvodnju titanskih ingota.
Kondenzacija vakuumske potrošne elektrode-taljenje ljuske: razvijena iz VAR peći, ova peć topi i centrifugalno izlijeva oblikovane odljevke. Između vodom-hlađenog bakrenog lončića i rastaljenog metala formira se čvrsta lubanja od legure titana, djelujući kao samo-podstava koja sprječava kontaminaciju taline u lončiću; nakon izlijevanja, preostala lubanja ponovno se koristi kao obloga lončića.
Peći s-elektronskim snopom i plazma peći također se koriste za specijalne proizvode od titana, ali s obzirom na tehničke i ekonomske pokazatelje (potrošnja energije, brzina taljenja, trošak), elektrolučna peć s potrošnom-elektrodom uključujući kondenzacijsku-ljuskastu peć ostaje najekonomičniji i široko primjenjivan način.
3. Sustavi kalupa za lijevanje
Lijevanje titana zahtijeva kalupne materijale s vrlo visokom vatrostalnošću, a izlijevanje se mora izvoditi pod visokim vakuumom ili inertnim plinom, često uz pomoć centrifugalne sile za ispunjavanje tankih presjeka. Ovisno o materijalu kalupa, razlikuju se tri sustava:
| Sustav kalupa | Izgradnja | Karakteristike | Tipična uporaba |
|---|---|---|---|
| Školjka od čistog grafita | Grafitni prahovi različitih veličina zrna vezani smolom | Visoka čvrstoća, mala težina, niska cijena, široka dostupnost sirov{0}}materijala | Centrifugalni ili gravitacijski odljevci srednje složenosti |
| Školjka od oksidne keramike | Oksidni vatrostalni materijali u prednjem i stražnjem sloju | Visoka čvrstoća, najniža toplinska vodljivost od tri sustava | Tanko{0}}odljevci složenih oblika |
| Vatrostalni-metalni prednji-slojni omotač | Sloj od volframa ili drugog vatrostalnog-metalnog praha preko keramičke stražnje-ljuske | Kompozitni sustav; prednjem sloju potrebna je posebna obrada,-potporni sloj slijedi praksu-lijevanja čelika za ulaganje | Visoko{0}}kvalitetni odljevci koji zahtijevaju minimalnu površinsku kontaminaciju |
Odljevci iz triju sustava ljuski pokazuju vrlo sličan kemijski sastav i mehanička svojstva, ali se kvaliteta površine značajno razlikuje: oksidni-keramički i vatrostalni-metalni sustavi skupljaju se znatno manje od grafitnog sustava, što daje bolju točnost dimenzija na lijevanom dijelu.
4. Razmatranja kvalitete kod taljenja i lijevanja
Budući da je titan iznimno reaktivan metal, kontrola onečišćenja pokreće kvalitetu. Talina mora biti zaštićena od zraka u svakoj fazi; elektrode i sirovina moraju biti čisti i suhi; a razina vakuuma u VAR pećima održava se dovoljno niskom da se uklone hlapljive nečistoće bez pretjeranog isparavanja legirajućih elemenata. Kvaliteta lijevanja provjerava se kemijskom analizom (s posebnom pozornošću na kisik, koji mora ostati unutar specifikacije jer čini leguru krhkom), radiografijom ili kompjutoriziranom tomografijom za unutarnju poroznost i skupljanje, penetrantskom inspekcijom -boje za površinske nedostatke i mehaničkim ispitivanjem kupona za ispitivanje lijeva. Za materijal-klase implantata, kontrola čistoće i inkluzije prema ASTM F1713 i relevantnim zahtjevima ISO 5832 su obavezni, a svako zagrijavanje dokumentirano je uz potpunu sljedivost.
5. Primjene Ti-13Nb-13Zr
Ortopedski implantati: stabljike kuka, komponente koljena i pločice za fiksiranje prijeloma koji imaju nizak modul elastičnosti i biokompatibilnost.
Zubni implantati i nosači, gdje su oseointegracija i otpornost na koroziju u oralnom okruženju kritični.
Kardiovaskularni i kirurški instrumenti gdje su potrebni ne-magnetski,-otporni na koroziju, MRI-kompatibilni materijali.
Istraživanje i specijalno inženjerstvo gdje je odsutnost aluminija i vanadija zahtjev specifikacije.
Za proizvođače implantata, Ti-13Nb-13Zr obično se nabavlja kao certificirana kovana šipka ili žica prema ASTM F1713; odljevci se koriste za prilagođene i složene geometrije, nakon čega slijedi vruće izostatičko prešanje (HIP) i toplinska obrada za zatvaranje unutarnje poroznosti i optimiziranje mikrostrukture.
6. FAQ
P1: Zašto se Ti-13Nb-13Zr topi samo pod vakuumom ili inertnim plinom?
Tekući titan brzo reagira s kisikom, dušikom, vodikom i ugljikom, što bi učinilo leguru krhkom i stvorilo inkluzije. Zaštita od vakuuma ili argona visoke -čistoće, u kombinaciji s vodom-hlađenim bakrenim loncem, sprječava kontaminaciju.
P2: Što je kondenzacijska ljuska u topljenju titana?
Kondenzacijska ljuska (lubanja) je čvrsti sloj iste legure titana koja se smrzava između vode-bakrenog lončića i rastaljenog bazena. Djeluje kao obloga lončića, tako da talina nikada ne dodiruje bakar, čime se izbjegava onečišćenje.
P3: Koji sustav kalupa daje najbolju točnost dimenzija?
Sustav ljuske od oksidne keramike i vatrostalnog-metalnog-sloja ljuske skuplja se manje od grafitnih ljuski i stoga daje bolju točnost dimenzija i kvalitetu površine, uz višu cijenu.
P4: Koliki je modul elastičnosti Ti-13Nb-13Zr?
Oko 74-80 GPa u kovanom stanju, što je bliže kortikalnoj kosti (oko 10-30 GPa) nego Ti-6Al-4V (oko 110-114 GPa), smanjujući zaštitu od naprezanja u implantatima.
P5: Sadrži li Ti-13Nb-13Zr aluminij ili vanadij?
Ne. Njegov nominalni sastav je 13,5-15,5 % niobija i 5,5-8,5 % cirkonija s ravnotežom titana, što je glavni razlog zašto se preferira za aplikacije implantata gdje je oslobađanje metalnih iona problem.
P6: Mogu li se odljevci Ti-13Nb-13Zr toplinski obrađivati?
Da. Obrada otopinom i starenje koriste se za prilagodbu beta/alfa omjera i čvrstoće, a vruće izostatičko prešanje obično se primjenjuje na odljevke kako bi se uklonila unutarnja poroznost prije završne strojne obrade.
