Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của hợp kim xốp hệ Ti 3 5Nb 3 5Zr bằng phương pháp phân rã thiêu kết
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.91 MB, 102 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN VĂN TOÀN
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT
CỦA HỢP KIM XỐP HỆ Ti-3.5Nb-3.5Zr BẰNG
PHƢƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
Hà Nội – Năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN VĂN TOÀN
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT
CỦA HỢP KIM XỐP HỆ Ti-3.5Nb-3.5Zr BẰNG
PHƢƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT
Chuyên ngành : KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. TRẦN VĂN DŨNG
Hà Nội – Năm 2018
LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn
Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, phòng Đào
tạo, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện Khoa học vật liệu, viện Hàn
Lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi, đóng góp ý
kiến cho tác giả trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Văn Dũng người đã
tận tình định hướng, hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất để hoàn thành luận văn
và đạt được kết quả như ngày hôm nay.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, tạo điều kiện của gia đình, bạn
bè, anh em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Tác giả
Nguyễn Văn Toàn
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là cơng trình nghiên cứu của
tơi. Các kết quả nghiên cứu là trung thực, minh bạch và chưa từng được cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào trước đây.
Người cam đoan
Nguyễn Văn Toàn
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................x
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM XỐP HỆ Ti-Nb-Zr ..........................2
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỢP KIM TITAN XỐP ......................................2
1.1.1. Hợp kim titan xốp – vật liệu y sinh tiên tiến ................................................2
1.1.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của hợp kim titan xốp ...................4
1.1.3. Hợp kim xốp hệ Ti-Nb-Zr.............................................................................9
1.2. SỰ TƢƠNG THÍCH CỦA VẬT LIỆU Y SINH VỚI CƠ THỂ CON
NGƢỜI .....................................................................................................................14
1.2.1. Tính tương thích cơ học ..............................................................................14
1.2.2. Tính tương thích sinh học ...........................................................................18
1.2.3. Tính tương thích cấu trúc ............................................................................20
1.2.4. Hợp kim xốp Ti-3.5Nb-3.5Zr - vật liệu cấy ghép chân răng chủ yếu .......23
1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 .................................................................................24
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP CHẾ
TẠO
HỢP KIM TITAN XỐP..........................................................................................25
2.1. KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO HỢP KIM BỘT .....25
2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP .......................26
2.2.1. Thiêu kết trong chân không hoặc trong môi trường bảo vệ........................26
2.2.2. Thiêu kết có chất phụ gia tạo xốp ...............................................................27
2.2.3. Thiêu kết xung plasma ................................................................................30
iii
2.2.4. Phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao tự lan truyền ......................................32
2.2.5. Phương pháp ép đẳng tĩnh (HIP) ................................................................35
2.2.6. Phương pháp phân rã – thiêu kết trong chân không ...................................36
2.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .................................................................................38
CHƢƠNG 3. CHẾ TẠO THỬ VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT
HỢP KIM TITAN XỐP Ti3.5Nb3.5Zr .................................................................39
3.1. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THỬ HỢP KIM TITAN XỐP Ti3.5Nb3.5Zr
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN RÃ – THIÊU KẾT TRONG CHÂN
KHÔNG....................................................................................................................39
3.1.1. Chuẩn bị hỗn hợp bột kim loại ...................................................................39
3.1.2. Nghiền trộn cơ học......................................................................................44
3.1.3. Ép tạo khối hỗn hợp bột kim loại ...............................................................45
3.1.4. Thiêu kết trong chân khơng ........................................................................47
3.2. TỐI ƢU HĨA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP
BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BẬC 2 ...................53
3.2.1. Giới thiệu phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc 2 ..............................53
3.2.2. Các bước thực hiện quy hoạch thực nghiệm...............................................55
3.3. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THƠNG SỐ MẪU THÍ NGHIỆM Ti3.5Nb3.5Zr
SAU THIÊU KẾT ...................................................................................................59
3.3.1. Xác định độ xốp mẫu thí nghiệm Ti3.5Nb3.5Zr sau thiêu kết ...................59
3.3.2. Xác định modun đàn hồi .............................................................................61
3.4. KẾT LUẬN .......................................................................................................62
CHƢƠNG 4. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HỢP KIM TITAN XỐP Ti-3.5Nb3.5Zr ĐƢỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP THIÊU KẾT PHÂN RÃ
TRONG CHÂN KHÔNG .......................................................................................64
4.1. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................................64
4.1.1. Phân tích, đánh giá kết quả đo độ xốp mẫu sản phẩmTi-3.5Nb-3.5Zr .......64
4.1.2. Kết quả đo modun đàn hồi mẫu Ti-3.5Nb-3.5Zr ........................................72
4.1.3. Kết quả chụp X-Ray mẫu sau thiêu kết ......................................................78
iv
4.1.4. Kết quả kiểm tra tổ chức tế vi mẫu Ti-3.5Nb-3.5Zr ...................................82
4.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4. ................................................................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................89
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
HIP :
Ép nóng đẳng tĩnh ( Hot Isostatic Pressing )
SHS:
Phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền
( Self – propagating high temperature synthesis )
VS:
Thiêu kết chân không ( Vacuum Sintering )
SPS:
Thiêu kết sung plasma ( Spark Plasma Sintering )
SEM:
Kính hiển vi điện tử quét ( Scanning Electron Microscopy )
OM:
Kính hiển vi quang học ( Optical microscopy )
XRD:
Phổ nhiễu xạ tia Rơn – Ghen ( X- Ray Diffraction )
ρ
:
Tỷ trọng ( g/cm3)
:
Độ xốp ( % )
vi
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ảnh hưởng của tỷ trọng đến mođun đàn hồi và độ bền của mẫu sản
phẩm ..........................................................................................................6
Hình 1.2. Ảnh hưởng của độ xốp đến giới hạn chảy của vật liệu y sinh [12] ............6
Hình 1.3. Ảnh hưởng kích thước lỗ xốp đến độ bền nén và mođun đàn hồi hợp
kim titan xốp 64% ......................................................................................7
Hình 1.4. Ảnh hưởng của tỷ trọng tương đối đến độ dày trung bình vách lỗ xốp
và kích thước lỗ xốp đến hàm lượng oxy chứa trong xương [12]. ............7
Hình 1.5. Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ xốp của vật liệu y sinh [12] ...................8
Hình 1.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết tới tỷ trọng của mẫu Ti-13Nb-13Zr. ..10
Hình 1.7. Ảnh chụp tổ chức tế vi của mẫu Ti-13Nb-13Zr sau thiêu kết tại các
nhiệt độ khác nhau với tốc độ nâng nhiệt 20℃/ph giữ nhiệt trong 2h. ...11
Hình 1.8. Ảnh SEM của bột sau thiêu kết với hàm lượng chất tạo xốp khác nhau: 12
Hình 1.9. Ảnh SEM của mẫu sau thiêu kết ..............................................................13
Hình 1.10. Đường cong ứng suất- biến dạng của hợp kim Ti-20Nb-15Zr với hàm
lượng chất tạo xốp
khác nhau ...............................................14
Hình 1.11. Cấu tạo của xương người .......................................................................15
Hình 1.12. Đường cong ứng suất -biến dạng của xương người và của vật liệu cấy
ghép..........................................................................................................17
Hình 1.13. Modun đàn hồi của xương người và của vật liệu cấy ghép thường sử
dụng .........................................................................................................18
Hình 1.14. Tính an tồn của vật liệu y sinh kim loại ...............................................19
Hình 1.15. Vị trí cấy ghép chân răng nhân tạo .........................................................23
Hình 1.16. Kết cấu chân răng nhân tạo ....................................................................23
Hình 2.1. Sơ đồ cơng nghệ thiêu kết có chất phụ gia tạo xốp vật liệu titan .............29
Hình 2.2. Ảnh tổ chức tế vi mẫu titan xốp chế tạo bằng phương pháp thiêu kết có
chất phụ gia với lỗ xốp macro/micro ......................................................29
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình cơng nghệ chế tạo hợp kim xốp titan bằng .....................31
Hình 2.4. Ảnh tổ chức tế vi mẫu titan xốp độ xốp 55% với kích thước lỗ xốp, µm 32
a- 125 ; b- 250;c- 400; d- 800[12]. ...........................................................................32
Hình 2.5. Quan hệ nhiệt độ – thời gian trong phản ứng SHS...................................33
vii
Hình 2.6. Các bước cơ bản trong quá trình tổng hợp NiTi bằng phương pháp
SHS ..........................................................................................................33
Hình 2.7. Tổ chức tế vi của mẫu NiTi khi sử dụng Ammonium Hydrrogen
Carbonate làm chất tạo xốp trong HIP với 0% (a) và 8.3%(b) ...............36
Hình 2.8. Quy trình cơng nghệ phương pháp phân rã - thiêu kết ............................37
Hình.2.9. Ảnh chụp nhiễu xạ Rơn Ghen mẫu TiH2 sau phân rã-thiêu kết ............38
Hình 3.1. Ảnh chụp X-Ray bột Nb ...........................................................................40
Hình 3.2. Ảnh chụp X-Ray bột Zr ............................................................................41
Hình 3.3. Ảnh chụp X-Ray bột
.......................................................................42
Hình 3.4. Thiết bị cân điện tử độ chính xác
g tại Trường ĐHBK Hà Nội ...43
Hình 3.5. Máy nghiền trộn dạng tang trống của Viện Hàn lâm KH và CN Việt
Nam..........................................................................................................45
Hình 3.6. Hỗn hợp bột kim loại sau nghiền trộn với tốc độ 30 vg/ph trong ............45
thời gian 2h................................................................................................................45
Hình 3.7. Máy ép thủy lực 10T tại Viện Hàn lâm KH và CN Việt Nam .................46
Hình 3.8. Khn và chày ép .....................................................................................46
Hình 3.9. Lị thiêu kết chân khơng
Tor tại Viện Hàn lâm KH và CN Việt
Nam..........................................................................................................49
Hình 3.10. Giản đồ pha của Nb – Ti ........................................................................50
Hình 3.11. Giản đồ pha của Zr-Nb ...........................................................................51
Hình 3.12. Giản đồ pha của Ti-Zr ............................................................................52
Hình 3.13. Quy trình cơng nghệ phân rã - thiêu kết mẫu sản phẩm Ti3.5Nb3.5Zr .53
Hình 3.14. Mơ hình nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm .........................................54
Hình 3.15. Mẫu sản phẩm trong dung dịch Parafin Wax sơi ...................................59
Hình 3.16. Cân mẫu sản phẩm thấm Parafin Wax
trong nước ..........................60
Hình 3.17. Máy thử kéo nén MTS ............................................................................62
Hình 4.1. Độ xốp tổng của các mẫu sản phẩm .........................................................64
Hình 4.2. Sự phân bố của các yếu tố đầu vào ..........................................................66
Hình 4.3. Đường đồng mức của độ xốp ở các nhiệt độ thiêu kết: ............................69
Hình 4.4. Sự phụ thuộc của độ xốp vào áp lực ép (a), nhiệt độ thiêu kết (b) và
thời gian thiêu kết (c) ...............................................................................69
Hình 4.5. Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của độ xốp vào áp lực ép và thời
gian thiêu kết tại nhiệt độ thiêu kết 1000 ℃ ............................................70
viii
Hình 4.6. Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của độ xốp vào áp lực ép và thời
gian thiêu kết tại nhiệt độ thiêu kết 1100 ℃ ............................................71
Hình 4.7. Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của độ xốp vào áp lực ép và thời
gian thiêu kết tại nhiệt độ thiêu kết 1200 ℃ ............................................71
Hình 4.8. Đồ thị thể hiện sự thay đổi của modun đàn hồi ........................................73
Hình 4.9. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thông số cơng nghệ tới modun đàn hồi .......75
Hình 4.10. Các đường đồng mức thể hiện sự thay đổi của modun đàn hồi khi
nhiệt độ thiêu kết thay đổi .......................................................................76
Hình 4.11. Sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào các thông số cơng nghệ ..............76
Hình 4.12. Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào áp lực
ép, thời gian thiêu kết và nhiệt độ thiêu kết tại 1000 ℃ ..........................77
Hình 4.13. Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào áp lực
ép, thời gian thiêu kết và nhiệt độ thiêu kết tại 1100 ℃ ..........................77
Hình 4.14. Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào áp lực
ép, thời gian thiêu kết và nhiệt độ thiêu kết tại 1200℃ ...........................78
Hình 4.15. Nhiễu xạ tia X mẫu xốp Ti – 3.5 Nb- 3.5 Zr tại 1200 ℃ trong 4h. ........79
Hình 4.16. Nhiễu xạ tia X mẫu xốp Ti – 3.5 Nb- 3.5 Zr tại 1200 ℃ trong 4h . .......80
Hình 4.17. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu sau thiêu kết 4h tại nhiệt độ: a. 1000
℃ ; b. 1200 ℃ ..........................................................................................82
Hình 4.18. Ảnh hiển vi quang học của mẫu sản phẩm sau q trình thiêu kết tại
1200℃ với độ phóng đại khác nhau. .......................................................84
Hình 4.19. Ảnh hiển vi quang học của mẫu sản phẩm sau quá trình thiêu kết tại
các nhiệt độ khác nhau: a. 1000 ℃ ; b. 1200 ℃ ......................................84
Hình 4.20. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của mẫu sản phẩm sau quá trình thiêu
kết tại 1200℃ với các độ phóng đại khác nhau. .....................................86
ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các thông số cơ học khi thử kéo vỏ xương người ....................................15
Bảng 1.2. Các thông số cơ học thử nén của vỏ xương người ...................................16
Bảng 1.3. Các thông số cơ học thử nén của lõi xốp xương người ...........................16
Bảng 1.4. Tính chất cơ học của vật liệu cấy ghép hợp kim Ti pha β, ω, α', α" ........21
Bảng 1.5.Một số vật liệu y sinh hợp kim titan pha β mới phát triển gần đây ...........22
Bảng 2.1. Độ xốp tổng và độ xốp hở của khối titan sau thiêu kết với kích thước
hạt và các điều kiện thiêu kết khác nhau [12]..........................................27
Bảng 2.2. Một số hợp chất được sản xuất bằng phương pháp SHS ..........................34
Bảng 3.1. Điều kiện thí nghiệm được chọn...............................................................56
Bảng 3.2. Ma trận kế hoạch thực nghiệm .................................................................58
Bảng 4.1. Kết quả đo độ xốp mẫu thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm ............65
Bảng 4.2. Bảng mã hóa các thơng số đầu vào...........................................................66
Bảng 4.3. Bảng quy hoạch thực nghiệm và kết quả trên phần mềm Modde 5 .........67
Bảng 4.4. Nhận biết các hệ số có nghĩa của phương trình hồi quy ...........................68
Bảng 4.5. Sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào chế độ ép và thiêu kết của mẫu
Ti-3.5Nb-3.5Zr thiêu kết trong chân không ............................................73
Bảng 4.6. Bảng thể hiện sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào chế độ công nghệ
được tiến hành theo lý thuyết quy hoạch tuyến tính ................................74
Bảng 4.7. Xác định các hệ số có nghĩa của hàm hồi quy. .........................................75
x
MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới, vật liệu titan xốp và hợp kim của chúng đang thu
hút sự nghiên cứu trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Vật liệu titan xốp và
hợp kim của chúng có độ xốp cao, modun đàn hồi thấp và khả năng tương thích
sinh học cao. Nên chúng thường được ứng dụng vào vật liệu y sinh trong lĩnh
vực thay thế và chỉnh hình một phần hay toàn bộ một bộ phận cơ thể đã bị thối
hóa, hư hỏng hay bị tổn thương do tai nạn, thối hóa…các bộ phận thường phải
thay thế, hay cấy ghép như: xương vỡ, chân răng, nẹp vít…Hợp kim titan xốp có
các tính chất như: Tính chất cơ học, độ bền cao chịu được tải trọng tác dụng sinh
lý của cơ thể trong một thời gian lâu dài hoặc suốt đời mà khơng bị hư hỏng hay
phẫu thuật lại; Tính tương thích sinh học cao, khơng tạo nên các ion kim loại và
các ngun tố hợp kim khơng bị hịa tan vào huyết thanh trong cơ thể, đáp ứng
được điều kiện tối quan trọng của vật liệu y sinh tốt hơn so với các vật liệu khác
như: thép không gỉ, hợp kim NiTi, hợp kim Ti-Nb-Ta…Khi độ xốp cao, tồn tại
các lỗ xốp liên thông giúp các mô xương trong cơ thể người dễ dàng phát triển đi
vào các lỗ xốp và tạo nên liên kết giữa vật liệu cấy ghép và mơ cơ thể. Ngồi ra
các lỗ xốp hở và lỗ xốp liên thơng cao giúp có thể đảm bảo cho chất dịch của cơ
thể dễ dàng lưu thông sau khi cấy ghép.
Ở Việt Nam, vật liệu y sinh hiện nay đều phải nhập khẩu với giá thành
cao, trong khi đó nhu cầu thay thế rất lớn làm cho chi phí y tế tăng lên nhiều. Do
đó việc làm chủ được cơng nghệ sản xuất và nghiên cứu tính chất của chúng là
hướng nghiên cứu phù hợp và cần thiết. Đó là lý do quan trọng nhất để tác giả
lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của hợp kim xốp hệ
Ti-3.5Nb-3.5Zr chế tạo bằng phương pháp phân rã – thiêu kết ” trong điều
kiện nghiên cứu hiện nay tại Việt Nam.
1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM XỐP HỆ Ti-Nb-Zr
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỢP KIM TITAN XỐP
1.1.1. Hợp kim titan xốp – vật liệu y sinh tiên tiến
Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội và kỹ thuật, tuổi thọ con người,
trên tồn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, được nâng cao một cách rõ
rệt. Theo thống kê thế giới những năm gần đây cho thấy, số lượng người cao tuổi
ngày càng tăng, số lượng người cao tuổi bị hư hỏng các mô xương do thối hóa
như thối hóa đĩa đệm cột sống, thối hóa các khớp háng, đầu gối… cũng tăng
lên một cách đáng kể. Chấn thương do tai nạn có thể xuất hiện ở bất kỳ lứa tuổi
nào và ở bất kỳ vị trí nào trên cơ thể con người, thơng thường phải thay thế cả
mảng mô xương… Vật liệu thay thế phù hợp trong những trường hợp này là các
vật liệu titan xốp các hệ TiNi, Ti-Nb-Zr... [ 4-6]. Khi mức sống con người nâng
cao, nhu cầu làm đẹp, trong đó có chỉnh sửa hoặc làm lại răng, kéo dài xương
chân để tăng chiều cao… trở nên cấp thiết. Chính vì vậy nhu cầu về vật liệu cấy
ghép thay thế tăng lên một cách đáng. Hiện nay kỹ thuật cấy ghép trong y học ở
Việt Nam tương đối phát triển, tuy nhiên vật liệu cấy ghép vẫn phải nhập ngoại
toàn bộ với giá thành cao và thời gian chờ đợi dài. Đây cũng là lý do cần thiết
phải phát triển công nghệ chế tạo vật liệu xốp các hệ TiNi, Ti-Nb-Zr ...
Vật liệu xốp các hệ TiNi, Ti-Nb-Zr... có độ bền cơ học và độ dẻo dai cao,
có thể tạo được độ xốp tương tự như ở xương người. Ước tính đến 70 80% các
ca cấy ghép mô xương sử dụng loại hợp kim xốp thay thế này.
Việc cấy ghép vật liệu vào cơ thể con người để tái tạo mô cứng bị hỏng
như mô xương là rất quan trọng. Song để được cấy ghép vào cơ thể con người,
các loại vật liệu y sinh cần đáp ứng được một số điều kiện nhất định. Các điều
kiện tiên quyết đối với vật liệu y sinh bao gồm: Mođun đàn hồi thấp, độ bền cao,
chịu mài mòn tốt, khả năng chống ăn mịn và khả năng tương thích với cơ thể
con người cao.
2
Cho đến nay có số lượng lớn các vật liệu y sinh kim loại đã được nghiên
cứu và ứng dụng, chủ yếu là thép không gỉ và hợp kim xốp trên nền titan. Trong
số đó vật liệu y sinh nền titan và hợp kim của nó được coi như là vật liệu thích
hợp nhất với các ứng dụng y sinh, vì chúng đảm bảo được các điều kiện như: Về
tính chất cơ học, chúng có độ bền cao, chịu được tải trọng của cơ thể con người
trong một thời gian dài hoặc cho đến suốt đời mà không bị hư hỏng; Về tính
tương thích sinh học, chúng khơng có tác động xấu lên cơ thể con người, nói một
cách khác không tạo nên ion kim loại và các nguyên tố hợp kim khơng bị hịa tan
vào huyết thanh trong cơ thể, đáp ứng các yêu cầu tối quan trọng của vật liệu y
sinh tốt hơn so với vật liệu khác, chẳng hạn như thép không gỉ, hợp kim Cr-Co,
niobi và tantalum.
Trên thế giới hợp kim titan xốp [5-6] đã phát triển từ những năm 1960,
ngày nay hệ vật liệu này đã trở thành sản phẩm thương mại thông dụng, chất
lượng cao. Trong những năm gần đây, hợp kim titan xốp đã thu hút được sự quan
tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu phát
triển công nghệ chế tạo hệ vật liệu y sinh này. Các hợp kim titan xốp chủ yếu
được nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu cấy ghép bao gồm: Ti, Ti4A16V.
Trong lĩnh vực y học các hệ hợp kim xốp trên nền titan được nghiên cứu,
phát triển và ứng dụng để cấy ghép, thay thế một số bộ phận của con người như:
Đĩa đệm thoái hoá, xương vỡ, đầu khớp háng thối hố; Các loại ống hợp kim
nhớ hình titan-niken được sử dụng trong điều trị bệnh nhân bị tắc mạch máu; Các
loại thép không gỉ, hợp kim titan nhớ hình được sử dụng làm nẹp xương. Đặc
biệt trên thế giới hiện nay người ta thường sử dụng vật liệu hợp kim xốp Ti-NbZr làm chân răng nhân tạo cho con người. Răng tuy kích thước nhỏ, có đặc thù
riêng đối với mỗi người nhưng nhu cầu về số lượng rất lớn trong chữa trị bệnh và
làm đẹp cho con người và đòi hỏi chất lượng cao. Việc nghiên cứu, chế tạo răng
nhân tạo từ hợp kim titan xốp với quy mô sản xuất đơn chiếc nhưng đảm bảo tính
hiện đại, độ tinh sảo, trình độ kỹ thuật cao là một định hướng đúng để đáp ứng
một phần nhu cầu sử dụng trong nước và xuất khẩu.
3
Dưới góc độ về vật liệu, căn cứ tiêu chuẩn quốc tế về vật liệu y sinh, yêu
cầu tiên quyết đối với hợp kim Ti-Nb-Zr xốp phải đảm bảo: Độ xốp đạt 50 60%,
modun đàn hồi dưới 50 GPa, độ bền mỏi tốt, các tính chất cơ học khác như độ
bền, độ cứng giống như xương hàm, mặt khác, khơng có độc tính và khơng bị
phá hủy do ăn mòn và hư hỏng do ứng suất cơ học.
Định hướng nghiên cứu và phát triển vật liệu y sinh hợp kim titan xốp trên
thế giới hiện nay có thể được thể hiện trong một số vấn đề như sau:
1. Loại bỏ các yếu tố độc hại đối với cơ thể con người;
2. Giảm modun đàn hồi để tránh tạo ra chênh lệch ứng suất giữa xương tự
nhiên và mô cấy ghép;
3. Cải thiện khả năng tương thích sinh học của các mô xương và máu;
4. Thu nhỏ các chi tiết cấy ghép chế tạo từ vật liệu y sinh.
1.1.2. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến tính năng của hợp kim titan xốp
Hợp kim titan xốp được sử dụng như là vật liệu y sinh tiên tiến, chúng có
chứa các lỗ xốp với kích thước cỡ macro/micro phù hợp với sự phát triển của mô
xương và sự truyền tải máu và các chất dịch. Các nhà khoa học đã kết luận rằng,
nếu sử dụng hợp kim xốp làm vật liệu cấy ghép thì chúng phải đáp ứng được các
yêu cầu sau:
-Cấu trúc lỗ xốp phải liên thông với nhau để tạo ra khoảng không cần thiết
cho tế bào phát triển, bám vào và truyền tải máu và các chất dịch.
-Độ xốp tương đối cao (>50%), kích thước tối ưu của lỗ xốp nằm trong
khoảng 300 400 μm hoặc 200 500 μm để các mơ xương có thể phát triển và
bám vào . Nếu các lỗ xốp không đảm bảo kích thước tối ưu, các mơ xương khơng
thể phát triển và máu khơng được lưu thơng một cách có hiệu quả.
-Modun đàn hồi và độ bền nén của xương người nằm tương ứng trong
khoảng 0,01 30 GPa và 0,2 200 MPa.
-Không chứa các nguyên tố gây hại cho cơ thể hoặc bị tan vào cơ thể.
4
Qua các tính tốn chi tiết nhận thấy rằng, sự tồn tại của các lỗ xốp kín
hoặc các lỗ xốp hở trong hợp kim titan xốp không những giữ được độ bền cao,
biến dạng dẻo lớn mà còn tạo ra modun đàn hồi thấp [13-14]:
Exốp = ∝ (ρxốp/ρđặc)
(1.1)
Trong đó:
E xốp - modun đàn hồi của vật liệu xốp;
ρxốp và ρđặc - tỷ trọng của vật liệu xốp và vật liệu đặc.
Ngoài tác dụng tạo ra các khoảng trống cho sự phát triển của các mô
xương mới, đảm bảo cho các mô cơ bám vào và sự vận chuyển của máu và các
dịch trong cơ thể, cấu trúc xốp cịn có tác dụng làm giảm modun đàn hồi, tạo ra
sự phù hợp giữa modun đàn hồi của vật liệu cấy ghép và xương người, khử bỏ
hiệu ứng do chênh lệch ứng suất gây ra, tạo ra sự ổn định trong thời gian dài. Tùy
từng vị trí ứng dụng, các tính năng về cơ học và sinh học cần được lựa chọn cho
phù hợp.
Modun đàn hồi của hợp kim titan xốp có thể được tạo ra trong khoảng
tương đối rộng. Quan hệ giữa tính chất cơ học và độ xốp được xác định theo
cơng thức kinh nghiệm của Gibson-Ashby Equation [15]:
(1.2)
Trong đó:
E, σ và ρ - modun đàn hồi, độ bền và tỷ trọng của vật liệu;
* - thuộc vật liệu xốp;
S – thuộc vật liệu đặc;
C1 và C2 - các hằng số thực nghiệm;
n1 và n2 - số mũ liên quan đến cấu trúc xốp.
5
Độ bền nén (MPa)
Modun đàn hồi (GPa)
Hình 1.1. Ảnh hưởng của tỷ trọng tương đương đến mođun đàn hồi và độ bền
Giới hạn chảy ( MPa )
của mẫu sản phẩm sau thiêu kết [15]
Hình 1.2. Ảnh hưởng của độ xốp đến giới hạn chảy của vật liệu y sinh [15]
Từ công thức (1.2) ta nhận thấy độ bền và modun đàn hồi của vật liệu xốp
giảm khi độ xốp tăng. Do vậy, khi nghiên cứu vật liệu xốp cần đảm bảo sự phù
hợp giữa độ xốp, độ bền và modun đàn hồi. Trên hình 1.1 thể hiện rõ ảnh hưởng
của tỷ trọng đến độ bền và modun đàn hồi của hợp kim titan sau thiêu kết: tỷ
trọng tăng, độ bền và modun đàn hồi tăng. Trên hình 1.2 thể hiện ảnh hưởng của
6
độ xốp đến giới hạn chảy của vật liệu xốp. Trong vật liệu xốp tồn tại đồng thời cả
hai loại lỗ xốp macro 200 500 μm, được tạo thành bằng các kỹ thuật tạo lỗ xốp
Độ bền nén (MPa)
Modun đàn hồi (GPa)
khác nhau.
Hình 1.3. Ảnh hưởng kích thước lỗ xốp đến độ bền nén và mođun đàn hồi hợp
Hàm lượng oxi (%)
Chiều dày vách ngăn lỗ xốp μm
kim titan xốp 64%
Hình 1.4. Ảnh hưởng của tỷ trọng tương đối đến độ dày trung bình vách lỗ
xốp(a) và kích thước lỗ xốp đến hàm lượng oxy chứa trong xương(b) [15]
Quan hệ giữa tỷ trọng tương đối và tính chất của hợp kim titan xốp 64%
với các kích cỡ lỗ xốp khác nhau được trình bày trên hình 1.3, độ bền và modun
7
đàn hồi có xu hướng tăng khi kích cỡ của lỗ xốp tăng. Nghiên cứu các kết quả thí
nghiệm cơ học cho thấy khi các tính kết cấu thay đổi cùng với kích cỡ của các lỗ
xốp, chiều dày vách lỗ xốp cũng thay đổi, trạng thái bề mặt lỗ xốp đều ảnh hưởng
đến độ bền và modun đàn hồi. Kích thước lỗ xốp ảnh hưởng đến các tính chất vật
lý của sản phẩm cuối cùng.
Sự phân bố chiều dày vách xốp được tính tốn từ kết cấu 3D cho thấy
chiều dày vách xốp tăng lên khi tỷ trọng tương đối của vật liệu tăng lên (hình
1.4a). Đây là điều quan trọng cần cân nhắc phẫu thuật tại những vị trí xương dễ
vỡ. Cần lưu ý rằng, hợp kim Ti xốp với các lỗ xốp mịn chứa nhiều oxy trong quá
Độ xốp tổng (%)
trình phẫu thuật hơn các lỗ xốp thơ đại.
Áp lực ép (MPa)
Hình 1.5. Ảnh hưởng của áp lực ép đến độ xốp của vật liệu y sinh [15]
Đối với vật liệu xốp, độ xốp là nhân tố đầu tiên tác động đến các tính chất
cơ học. Độ xốp cần được kiểm soát để làm sao giảm được độ cứng mà vẫn không
ảnh hưởng đến các trở lực cơ học khác. Zhao và Torres [14] đã nghiên cứu ảnh
hưởng của các điều kiện thiêu kết chính, áp lực ép và nhiệt độ đến cả tổ chức tế
vi và tính chất cơ học của vật liệu titan xốp thiêu kết thơng thường, kết quả
nghiên cứu được trình bày trên hình 1.5. Từ hình 1.5 ta nhận thấy để đạt được độ
xốp lớn 40% cần thiêu kết ở nhiệt độ 1000 11000C với áp lực ép khoảng 40
MPa. Còn khi thiêu kết ở nhiệt độ cao hơn (1200 13000C) độ xốp giảm đi một
8
cách đáng kể, xuống tới 7 20%. Từ đó và căn cứ yêu cầu của hợp kim titan xốp
mà nên lựa chọn chế độ thiêu kết thích hợp trong khoảng ở nhiệt độ 1000
11000C với áp lực ép khoảng 40 MPa.
1.1.3. Hợp kim xốp hệ Ti-Nb-Zr
Các nhà nghiên cứu có quan tâm nhiều đến hệ vật liệu Ti-Nb-Zr có thể kể
đến như V. R. Henriqus, X Zao, C. L. Chu.... Một số kết quả đã được công bố:
- Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến tỷ trọng của Ti-13Nb-13Zr được
thể hiện trên hình 1.6l, qua đó nhận thấy khi nhiệt độ thiêu kết tăng dẫn đến tỷ
trọng của mẫu tăng đồng thời làm giảm độ xốp của mẫu;
- Tổ chức tế vi của mẫu Ti-13Nb-13Zr sau thiêu kết tại các nhiệt độ khác
nhau với tốc độ nâng nhiệt 20℃/ph giữ nhiệt trong 2h được thể hiện trên hình 1.7,
qua đó nhận thấy khi nhiệt độ thiêu kết càng cao tổ chức dạng hình kim càng rõ
ràng và kích thước của hình kim càng giảm dần;
- Ảnh SEM (hình 1.8) của bột Ti-20Nb-15Zr sau thiêu kết với hàm lượng
chất tạo xốp khác nhau, qua đó nhận thấy thấy với hàm lượng chất tạo xốp tăng
dần từ 0% tới 50% thì độ xốp của mẫu sau thiêu kết tăng dần;
- Ảnh SEM của mẫu sau thiêu kết được thể hiện trên hình 1.9 ;
- Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của hợp kim Ti-20Nb-15Zr với hàm
lượng chất tạo xốp
khác nhau được thể hiện trên hình 1.10.
9
Tỉ trọng g/cm3
Hình 1.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết tới tỷ trọng của mẫu Ti-13Nb-13Zr.
10
Hình 1.7. Ảnh chụp tổ chức tế vi của mẫu Ti-13Nb-13Zr sau thiêu kết tại các
nhiệt độ khác nhau với tốc độ nâng nhiệt 20℃/ph giữ nhiệt trong 2h.
11
Hình 1.8. Ảnh SEM của bột Ti-20Nb-15Zr sau thiêu kết với hàm lượng chất tạo
xốp khác nhau:
a- 0%;b- 20%; c- 35% ;d- 50%.
12
Hình 1.9. Ảnh SEM của mẫu sau thiêu kết
a- hình thái lỗ xốp; b- khu vực màu trắng; c- vết nứt gần lỗ xốp; d- vùng màu
trắng
13
