طراحی و ساخت آلیاژ پایه تیتانیوم حاوی آهن و بررسی خواص مکانیکی آن در طی فرآیند ترمومکانیکی

هدف این پژوهش جایگزینی ایمپلنت های آلیاژی تیتانیوم در حوزه پزشکی نظیر ۴۷-Ti-Al که به علت حضور وانادیوم دارای قیمت تمام شده بالا و همچنین خاصیت سمی برای بدن هستند با آلیاژ کم هزینه تر و زیست سازگارتر بدون وانادیوم بوده است، در این کار ما آلیاژ Ti-۴۸-۱/۵Fe را طراحی کرده و به آن پرداختیم. در این آلیاژ حضور آهن به جای وانادیوم نه تنها قیمت تمام شده را شدیدا کاهش می دهد، بلکه هیچ گونه اثر سمی برای بدن ندارد. بدین منظور آلیاژ موردنظر از مواد اولیه با خلوص بالا تحت ذوب توسط کوره قوس الکتریکی قرار گرفت و نمونه اولیه تهیه شد؛ در ادامه تحت عملیات ترمومکانیکی شامل ۸۵% کاهش سطح در طی نورد گرم در دمای ۱۰۰۰°C و در ادامه تحت نورد سرد با ۳۰% کاهش سطح گرفته و در نهایت تحت آنیل در دماهای مختلف قرار گرفت، سپس ریزساختار و خواص مکانیکی آن با روش های متالوگرافی، پراش پرتو ایکس و آزمون های سختی سنجی و خمش سه نقطه ارزیابی شد. نتایج نشان داد فرآیند ترمومکانیکی سبب یکنواختی توزیع فاز، همچنین تغییرات قابل توجه در مورفولوژی ریزساختار، ریزدانه سازی و حذف ناهمگنی های ریختگی شده و در نتیجه سختی های بالا تا حدود ۴۰۰HB و استحکام های بیش از Mpa ۱۰۰۰ را ایجاد کرد؛ مقادیری که از لحاظ عملکرد مکانییکی با آلیاژهای حاوی وانادیوم قابل رقابت بوده و در عین حال فاقد مشکلات سمیت وانادیوم هستند. ارزیابی اثر دمای آنیل نیز توانست حساسیت بسیار بالای آلیاژ را نشان دهد؛ به طوری که بهترین خواص مکانیکی در دمای ۹۰۰°C با استحکام تسلیم حدود ۱۰۳۷Mpa در ناحیه پلاستیک آزمون خمش به دست آمد، در حالی که تنها با افزایش ۲۵°C، دمای آنیل در دمای ۹۲۵°C استحکام به حدود ۶۹۰Mpa کاهش یافت. این اختلاف قابل توجه بین بهترین و ضعیف ترین نتایج اهمیت انتخاب دقیق دمای آنیل و کنترل تلرانس دمایی کوره را در کاربردهای مهندسی و به ویژه پزشکی برجسته می کند زیرا انحراف کوچک از دمای بهینه می تواند منجر به افت شدید خواص و افزایش احتمال شکست زودهنگام در طی سرویس شود. در مجموع یافته ها نشان می دهند که آلیاژ ۱/۵-۱-۴-Ti با ریزساختار مهندسی شده بدون عنصر سمی وانادیوم گزینه ای مقرون به صرفه، زیست سازگار و دارای عملکرد مکانیکی بالا برای کاربردهای صنعتی و پزشکی است.

کلیدواژه ها:

ایمپلنت ، تیتانیوم ، وانادیوم ، آهن ، زیست سازگار ، فرآیند ترمومکانیکی ، آنیل