Мікроструктура, механічні і корозійні властивості нових β-сплавів на основі Ti–Mo–Nb при додаванні Mn в матеріал імпланта

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.193932

Ключові слова:

титан, титановий сплав, β-титан, сплав TiMoNb, біоматеріал, механічні властивості, модуль пружності, корозійна стійкість, матеріал імпланта

Анотація

Титанові сплави широко використовуються в біоматеріалах, оскільки вони володіють особливими характеристиками, зокрема кращою біосумісністю, чудовими корозійними властивостями і більш низьким модулем пружності в порівнянні з традиційними біоматеріалами. Показано розробку існуючих сплавів Ti6Al4V шляхом створення нових β-сплавів на основі Ti-Mo-Nb за допомогою модифікації додавання елемента Mn в якості стабілізатора бета-фази, так що структура бета-фази може впливати на збільшення міцності і зниження модуля пружності з хорошою біосумісністю і токсичністю. У даній роботі були отримані сплави Ti-Mo-Nb-(x)Mn (x=0, 4, 8 і 12, масова частка в %) з використанням вакуумної електродугової печі з вольфрамовим електродом. Зразки гомогенізували при 1050 °С протягом 6 год в контрольованій атмосфері аргону, вплив додавання Mn на механічні та корозійні властивості сплавів досліджували за допомогою рентгенофлуоресцентної спектрометрії, рентгенівської дифракції, оптичної мікроскопії, міцнісних і ультразвукових випробувань, а також потенціодінаміческого поляризаційного випробування. Результати експериментів показують, що додавання 4 %, 8% і 12 % Mn до сплаву Ti-9Mo-6Nb стабілізує утворення β-фази титану, маючи на увазі, що сплави мають подібну мікроструктуру, але різні розміри зерен. Потенціодинамічні поляризаційні вимірювання показують, що збільшення вмісту Mn у сплаві Ti-9Mo-6Nb знижує корозійну стійкість. При 4 % Mn сплав має модуль пружності 93 ГПа і кращу корозійну стійкість при відносно низькій швидкості корозії, що становить 0,00290 мм на рік, ніж у комерційного сплаву Ti-6Al-4V

Спонсор дослідження

  • We would like to thank Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat Universitas Indonesia (DRPM UI) and Kementerian Ristek dan Dikti for their financial support through PDD grant funds with contract number of 1/E1/KP.PTNBH/2019 and 234/PKS/R/UI/2019 for hel

Біографії авторів

Cahya Sutowo, Universitas Indonesia Jl. Margonda Raya, Pondok Cina, Beji, Depok, Jawa Barat 16424, Indonesia

Master of Engineering

Department of Metallurgy and Material Engineering

Sugeng Supriadi, Universitas Indonesia Jl. Margonda Raya, Pondok Cina, Beji, Depok, Jawa Barat 16424, Indonesia

PhD, Associate Professor

Department of Metallurgy and Material Engineering

Andika Widya Pramono, Indonesian Institute of Sciences Building 470, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan 15314, Indonesia

Doctor of Engineering, Associate Professor

Research Center of Metallurgy and Material

Bambang Suharno, Universitas Indonesia Jl. Margonda Raya, Pondok Cina, Beji, Depok, Jawa Barat 16424, Indonesia

Doctor of Engineering, Professor

Department of Metallurgy and Material Engineering

Посилання

  1. Niinomi, M. (2008). Metallic biomaterials. Journal of Artificial Organs, 11 (3), 105–110. doi: https://doi.org/10.1007/s10047-008-0422-7
  2. Mareci, D., Bolat, G., Chelariu, R., Sutiman, D., Munteanu, C. (2013). The estimation of corrosion behaviour of ZrTi binary alloys for dental applications using electrochemical techniques. Materials Chemistry and Physics, 141 (1), 362–369. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2013.05.024
  3. Niinomi, M. (2008). Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 1 (1), 30–42. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2007.07.001
  4. O’Brien, B., Stinson, J., Carroll, W. (2008). Initial exploration of Ti–Ta, Ti–Ta–Ir and Ti–Ir alloys: Candidate materials for coronary stents. Acta Biomaterialia, 4 (5), 1553–1559. doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2008.03.002
  5. K Cho, K., Niinomi, M., Nakai, M., Hieda, J., & Kawasaki, Y. (2013). Development of High Modulus Ti-Fe-Cu Alloys for Biomedical Applications. MATERIALS TRANSACTIONS, 54 (4), 574–581. doi: https://doi.org/10.2320/matertrans.m2012361
  6. Geetha, M., Singh, A. K., Asokamani, R., Gogia, A. K. (2009). Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants – A review. Progress in Materials Science, 54 (3), 397–425. doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.06.004
  7. Li, Y., Yang, C., Zhao, H., Qu, S., Li, X., Li, Y. (2014). New Developments of Ti-Based Alloys for Biomedical Applications. Materials, 7 (3), 1709–1800. doi: https://doi.org/10.3390/ma7031709
  8. Niinomi, M., Nakai, M., Hieda, J. (2012). Development of new metallic alloys for biomedical applications. Acta Biomaterialia, 8 (11), 3888–3903. doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.06.037
  9. Talib, M. M., Khan, Z., Siddiquee, A. N. (2014). Beta Titanium Alloys: The Lowest Elastic Modulus for Biomedical Applications: A Review. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Materials and Metallurgical Engineering, 8 (8), 822–827.
  10. Gil Mur, F. X., Rodríguez, D., Planell, J. A. (1996). Influence of tempering temperature and time on the α′-Ti-6Al-4V martensite. Journal of Alloys and Compounds, 234 (2), 287–289. doi: https://doi.org/10.1016/0925-8388(95)02057-8
  11. Wanying, L., Yuanhua, L., Yuhai, C., Taihe, S., Singh, A. (2017). Effect of Different Heat Treatments on Microstructure and Mechanical Properties of Ti6Al4V Titanium Alloy. Rare Metal Materials and Engineering, 46 (3), 634–639. doi: https://doi.org/10.1016/s1875-5372(17)30109-1
  12. Venkatesh, B. D., Chen, D. L., Bhole, S. D. (2009). Effect of heat treatment on mechanical properties of Ti–6Al–4V ELI alloy. Materials Science and Engineering: A, 506 (1-2), 117–124. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.11.018
  13. Perl, D. P. (1985). Relationship of Aluminum to Alzheimer's Disease. Environmental Health Perspectives, 63, 149–153.
  14. Domingo, J. L. (2002). Vanadium and Tungsten Derivatives as Antidiabetic Agents. Biological Trace Element Research, 88 (2), 097–112. doi: https://doi.org/10.1385/bter:88:2:097
  15. Marsumi, Y., Pramono, A. W. (2014). Influence of Niobium or Molybdenum in Titanium Alloy for Permanent Implant Application. Advanced Materials Research, 900, 53–63. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.900.53
  16. Senopati, G., Sutowo, C., P. A., I. N. G., Utomo, E. P., Amal, M. I. (2016). Microstructure and mechanical properties of as-cast Ti-Mo-xCr alloy for biomedical application. AIP Conference Proceedings, 1711, 050005. doi: https://doi.org/10.1063/1.4941631
  17. Senopati, G., Sutowo, C., Amal, M. I. (2017). Mechanical properties, microstructure, and biocompatibility of Ti-6Al-6Nb. Journal of Physics: Conference Series, 817, 012012. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/817/1/012012
  18. Williams, D. F. (1986). Definitions in biomaterials: proceedings of a consensus conference of the European Society for Biomaterials. Vol. 4. Elsevier.
  19. Hosseini, S. (2012). Fatigue of Ti-6Al-4V. Biomedical Engineering - Technical Applications in Medicine. doi: https://doi.org/10.5772/45753
  20. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials (1990). Vol. 2. ASM International. doi: https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627
  21. Sutowo, C., Rokhmanto, F., Senopati, G. (2017). Thermomechanical treatment process of α/βTi-6Al-6Mo alloy as new alternative materials for biomedical application. Widyariset, 3 (1), 47–54. doi: https://doi.org/10.14203/widyariset.3.1.2017.47-54
  22. Zhao, X., Niinomi, M., Nakai, M., Hieda, J. (2012). Beta type Ti–Mo alloys with changeable Young’s modulus for spinal fixation applications. Acta Biomaterialia, 8 (5), 1990–1997. doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.02.004
  23. Zhang, W., Liu, Y., Wu, H., Song, M., Zhang, T., Lan, X., Yao, T. (2015). Elastic modulus of phases in Ti–Mo alloys. Materials Characterization, 106, 302–307. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2015.06.008
  24. Abd-elrhman Yasser, Gepreel, M. A.-H., Abdel-Moniem, A., Kobayashi, S. (2016). Compatibility assessment of new V-free low-cost Ti–4.7Mo–4.5Fe alloy for some biomedical applications. Materials & Design, 97, 445–453. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.02.110
  25. Xu, L. J., Chen, Y. Y., Liu, Z. G., Kong, F. T. (2008). The microstructure and properties of Ti–Mo–Nb alloys for biomedical application. Journal of Alloys and Compounds, 453 (1-2), 320–324. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.11.144
  26. Chelariu, R., Bolat, G., Izquierdo, J., Mareci, D., Gordin, D. M., Gloriant, T., Souto, R. M. (2014). Metastable beta Ti-Nb-Mo alloys with improved corrosion resistance in saline solution. Electrochimica Acta, 137, 280–289. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.06.021
  27. Neacsu, P., Gordin, D.-M., Mitran, V., Gloriant, T., Costache, M., Cimpean, A. (2015). In vitro performance assessment of new beta Ti–Mo–Nb alloy compositions. Materials Science and Engineering: C, 47, 105–113. doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.11.023
  28. Sutowo, C., Senopati, G., Supriadi, S., Pramono, A. W., Suharno, B. (2019). The Influence of Sn addition on the microstructure and mechanical properties of the new β-type Ti-Mo-Nb based alloys for implant material. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 541, 012036. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/541/1/012036
  29. Santos, P. F., Niinomi, M., Cho, K., Nakai, M., Liu, H., Ohtsu, N. et. al. (2015). Microstructures, mechanical properties and cytotoxicity of low cost beta Ti–Mn alloys for biomedical applications. Acta Biomaterialia, 26, 366–376. doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2015.08.015
  30. ASTM E494-95. Standard Practice for Measuring Ultrasonic Velocity in Materials. ASTM International. doi: https://doi.org/10.1520/e0494-95
  31. Majumdar, P., Singh, S. B., Chakraborty, M. (2008). Elastic modulus of biomedical titanium alloys by nano-indentation and ultrasonic techniques – A comparative study. Materials Science and Engineering: A, 489 (1-2), 419–425. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.12.029
  32. Chen, Z., Liu, Y., Jiang, H., Liu, M., Wang, C. H., Cao, G. H. (2017). Microstructures and mechanical properties of Mn modified, Ti-Nb-based alloys. Journal of Alloys and Compounds, 723, 1091–1097. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.06.311
  33. Gabriel, S. B., Panaino, J. V. P., Santos, I. D., Araujo, L. S., Mei, P. R., de Almeida, L. H., Nunes, C. A. (2012). Characterization of a new beta titanium alloy, Ti–12Mo–3Nb, for biomedical applications. Journal of Alloys and Compounds, 536, S208–S210. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.11.035
  34. Zhang, D. C., Tan, C. G., Tang, D. M., Zhang, Y., Lin, J. G., Wen, C. E. (2014). Effect of thermomechanical treatment on the superelasticity of Ti–7.5Nb–4Mo–2Sn biomedical alloy. Materials Science and Engineering: C, 44, 76–86. doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.08.001
  35. Zhang, L., Wang, K., Xu, L., Xiao, S., Chen, Y. (2015). Effect of Nb addition on microstructure, mechanical properties and castability of β-type Ti–Mo alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 25 (7), 2214–2220. doi: https://doi.org/10.1016/s1003-6326(15)63834-1
  36. Banerjee, R., Nag, S., Fraser, H. L. (2005). A novel combinatorial approach to the development of beta titanium alloys for orthopaedic implants. Materials Science and Engineering: C, 25 (3), 282–289. doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2004.12.010
  37. Hon, Y.-H., Wang, J.-Y., Pan, Y.-N. (2003). Composition/Phase Structure and Properties of Titanium-Niobium Alloys. MATERIALS TRANSACTIONS, 44 (11), 2384–2390. doi: https://doi.org/10.2320/matertrans.44.2384
  38. Kim, J.-W., Hwang, M.-J., Han, M.-K., Kim, Y.-G., Song, H.-J., Park, Y.-J. (2016). Effect of manganese on the microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of titanium alloys. Materials Chemistry and Physics, 180, 341–348. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.06.016

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-02-29

Як цитувати

Sutowo, C., Supriadi, S., Pramono, A. W., & Suharno, B. (2020). Мікроструктура, механічні і корозійні властивості нових β-сплавів на основі Ti–Mo–Nb при додаванні Mn в матеріал імпланта. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(12 (103), 30–37. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.193932

Номер

Том 1 № 12 (103) (2020): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Cahya Sutowo, Sugeng Supriadi, Andika Widya Pramono, Bambang Suharno

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.