Chế tạo hợp kim titan xốp ứng dụng làm vật liệu cấy ghép

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn công trình nghiên cứu Tôi Các số liệu kết nghiên cứu trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu sở trước Ngƣời cam đoan Hoa Xuân Hòa LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn Cơ học Vật liệu Cán kim loại, Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi, đóng góp ý kiến quý báu cho tác giả suốt trình học tập hoàn thành luận văn Để có kết nghiên cứu này, cố gắng nỗ lực thân, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Đặng Thủy người tận tình định hướng, hướng dẫn tạo điều kiện tốt giúp đỡ tác giả suốt thời gian học tập hoàn thành luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Văn Dũng người đóng góp ý kiến xác thực góp phần hoàn chỉnh luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, tạo điều kiện bạn bè, động viên, tạo điều kiện vật chất tinh thần gia đình người thân suốt thời gian học tập hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành ghi nhớ giúp đỡ quý báu ! Tác giả Hoa Xuân Hòa MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG – TỔNG QUAN HỢP KIM TITAN XỐP 1.1 Giới thiệu chung hợp kim Titan xốp 1.2 Các tính chất học mô xƣơng 1.3 Tính tƣơng thích sinh học 11 1.4 Hợp kim Titan mô đun đàn hồi thấp kiểu β 12 1.5 Đặc trƣng hợp kim Titan xốp 16 1.5.1 Một vài nét chung hợp kim Titan xốp 16 1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính hợp kim Titan xốp 17 1.6 Thiết kế vật liệu hợp kim Titan xốp dùng làm cấy ghép chân 22 1.7 Kết luận 24 CHƢƠNG – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO 25 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Phƣơng pháp thiêu kết thông thƣờng 27 Phƣơng pháp thiêu kết Space Holder 29 Phƣơng pháp thiêu kết xung plasma 33 Phƣơng pháp tự sinh nhiệt 36 Phƣơng pháp ép đẳng tĩnh 39 Các phƣơng pháp khác 40 Kết luận 43 CHƢƠNG – KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT 45 3.1 Công đoạn nghiền trộn học 46 3.1.1 Thiết bị phối liệu 46 3.1.2 Tính toán phối liệu 46 3.1.3 Thiết bị trộn đồng hóa thành phần 52 3.1.4 Trộn đồng thành phần 53 3.2 Công đoạn ép đóng bánh tạo hình sơ 55 3.2.1 Thiết bị ép đóng bánh hỗn hợp bột TiH2-3,5Nb-3,5Zr 55 3.2.2 Phương pháp ép 55 3.2.3 Áp lực ép tạo hình sơ 56 3.3 Công đoạn thiêu kết 57 3.3.1 Mục đích 57 3.3.2 Chế độ thiêu kết 58 3.3.3 Thiết bị thiêu kết 60 3.3.4 Quy trình thực nghiệm thiêu kết 63 CHƢƠNG – XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT 64 4.1 Xác định độ xốp mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr 64 4.2 Xác định mô đun đàn hồi mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr 67 4.3 Tổ chức tế vi mẫu hợp kim Titan Ti-3,5Nb-3,5Zr 70 4.4 Kết trình phân rã thiêu kết 75 4.5 Xây dựng hàm mục tiêu tối ƣu hóa công nghệ chế tạo hợp kim Titan xốp 78 4.5.1 Giới thiệu phương pháp 78 4.5.2 Mô hình nghiên cứu 79 4.6 Chế thử mẫu hợp kim Titan xốp phƣơng pháp phân rã thiêu kết có chất tạo độ xốp (Space Holder) lò chân không cao 82 4.6.1 Kết xác định thành phần pha 84 4.6.2 Kết xác định độ xốp mẫu sau thiêu kết 86 4.6.3 Kết xác định mô đun đàn hồi mẫu sau thiêu kết 86 4.6.4 Kết xác định hình ảnh/tổ chức tế vi mẫu sau thiêu kết 88 4.7 Kết luận 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền SHS: (self-propagating high-temperature synthesis) VS : Thiêu kết chân không (Vacuum Sintering) HIP : Ép nóng đẳng tĩnh (Hot Isostatic Pressing) SPS : Thiêu kết xung plasma (Spark Plasma Sintering) SEM : Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microcopy) XRD : Phổ nhiễu xạ tia Rơn-ghen (X-ray Diffraction) ρ : Tỷ trọng Ø : Độ xốp DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Chỉ tiêu lý vỏ xương người sau thử kéo Bảng 1.2 Chỉ tiêu lý lớp vỏ xương người sau thử nén Bảng 1.3 nén Chỉ tiêu lýcủa lớp xương xốp xương người sau thử Bảng 1.4 Tính chất học hợp kim pha β,ω, α', α" ứng dụng y học Bảng 1.5 Chọn lọc hợp kim mô đun đàn hồi thấp Ti pha β, phát triển gần Bảng 2.1 Độ xốp tổng độ xốp hở khối Titan sau thiêu kết với cỡ hạt điều kiện thiêu kết khác Bảng 2.2 Một vài hợp chất sản xuất phương pháp SHS Bảng 3.1 Các chế độ công nghệ thiêu kết Bảng 4.1 Sự phụ thuộc độ xốp vào nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết () áp lực ép (P) Bảng 4.2 Sự phụ thuộc mô đun đàn hồi vào nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết () áp lực ép (P) Bảng 4.3 Điều kiện thí nghiệm chọn Bảng 4.4 Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết thí nghiệm Bảng 4.5 Kết xác định độ xốp Bảng 4.6 Kết xác định mô đun đàn hồi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo xương người Hình 1.2 Đường cong ứng suất- biến dạng hợp kim Ti-20Nb-15Zr với hàm lượng NH4HCO3 khác Hình 1.3 Đường cong ứng suất biến dạng xương người số vật liệu kim loại thay Hình 1.4 Mô đun đàn hồi xương người vật liệu y sinh thường sử dụng Hình 1.5 Các nguyên tố tương thích sinh học Hình 1.6 Ảnh hương tỷ trọng đến mô đun đàn hồi độ bền mẫu sau thiêu kết Hình 1.7 Sự tác động độ xốp đến ngưỡng biến dạng dẻo vật liệu Hình 1.8 Ảnh hưởng kích thước lỗ xốp đến độ bền nén mô đun đàn hồi vật liệu thử mẫu có độ xốp 64% Hình 1.9 Ảnh hưởng tỷ trọng tương đối đến độ dày trung bình vách lỗ xốp kích thước lỗ xốp đến hàm lượng oxy chứa xương Hình 1.10 Ảnh hưởng lực ép đến độ xốp vật liệu Hình 1.11 Đinh vít chân Hình 2.1 Sơ đồ thiêu kết Titan xốp phương pháp Space holder Hình 2.2 Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau chế tạo phương pháp Space holder với lỗ xốp macro/micro Hình 2.3 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo hợp kim xốp Titan hợp kim Titan phương pháp SPS Hình 2.4 Ảnh tổ chức tế vi mẫu Titan xốp có độ xốp 55% với kích thước lỗ xốp 125 µm (a); 250 µm (b); 400 µm (c); 800 µm (d) Hình 2.5 Quan hệ nhiệt độ – thời gian phản ứng SHS Hình 2.6 Các bước trình tổng hợp NiTi phương pháp SHS Hình 2.7 Tổ chức tế vi mẫu NiTi sử dụng (NH4HCO3) làm chất tạo xốp HIP với a) 0% b) 8.3% Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp thiêu kết vi sóng Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIM Hình 2.10 Thiết bị máy ép trục vít (MIM) Hình 2.11 Ảnh tổ chức tế vi mẫu chế tạo phương pháp ép trục vít Hình 2.12 Phương pháp đúc để tạo mẫu xốp Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm chế tạo hợp kim y sinh Titan xốp Hình 3.2 Cân điện tử Scientech độ xác 10-4 g Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột TiH2 nguyên liệu Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Nb nguyên liệu Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Zr nguyên liệu Hình 3.6 Máy trộn tang trống Hình 3.7 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) hỗn hợp bột TiH2-3,5Nb-3,5Zr sau trình trộn đồng thành phần (X200 X2000) Hình 3.8 Máy ép thủy lực 1000 KN hãng STENHØJ Hình 3.9 Khuôn chày ép Hình 3.10 Sự phụ thuộc tỷ trọng vào áp lực ép Hình 3.11 Sơ đồ quy trình thiêu kết Hình 3.12 Giản đồ pha Ti – Nb Hình 3.13 Giản đồ pha Nb – Zr Hình 3.14 Giản đồ pha Ti-Zr Hình 3.15 Lò thiêu kết ống SRJX-2-13 Hình 4.1 Máy thử tính MTS 809.10 Hình 4.2 Kính hiển vi điện tử quét JSM-7600F Hình 4.3 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sản phẩm sau thiêu kết 11500C 3h (X500 X1000) Hình 4.4 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sản phẩm sau thiêu kết 11500C 3h (X2000 X2500) Hình 4.5 Máy phân tích Rơnghen D5005 – SIEMENS Hình 4.6 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu TiH2 – 3,5Nb – 3,5Zr sau thiêu kết Hình 4.7 Mô hình nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm Hình 4.8 Lò thiêu kết chân không cao 10-5 tor Hình 4.9 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu TiH2 – 3,5Nb – 3,5Zr sau thiêu kết Hình 4.10 Đường cong ứng suất biến dạng mẫu 40% chất tạo xốp Hình 4.11 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sau thiêu kết 11500C 3h (X2000 X2500) Hình 4.12 Hình ảnh mẫu sau thiêu kết có chất phụ gia tạo độ xốp lò chân không cao MỞ ĐẦU Hiện giới, vật liệu Titan xốp với tính chất độ xốp cao, mô đun đàn hồi thấp thu hút nhiều nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng khác Vật liệu Titan xốp đặc đặc tính xốp mô đun đàn hồi thấp nên chúng thường ứng dụng dạng vật liệu y sinh lĩnh vực cấy ghép nha khoa, thay chỉnh hình phần toàn phận thể bị hư hỏng, thoái hoá tổn thương tai nạn phận thường phải thay bao gồm: Đĩa đệm thoái hoá, xương vỡ, đầu khớp háng thoái hoá, chân Hợp kim Titan xốp, quan tâm chủ yếu nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực vật liệu y sinh để chế tạo xương chân răng, cấy ghép mô thay thể người,vì chúng đảm bảo điều kiện như: Tính chất học, có độ bền cao chịu tải trọng tác dụng sinh lý thể thời gian lâu dài suốt đời mà không bị hư hỏng phẫu thuật lại Tính tương thích sinh học tuyệt vời, không tác động lên thể, nói cách khác không tạo nên ion kim loại nguyên tố hợp kim không bị hòa tan vào huyết thể, đáp ứng yêu cầu tối quan trọng vật liệu cấy ghép tốt so với vật liệu khác, chẳng hạn thép không gỉ, hợp kim Cr-Co, niobi tantalum.Ở dạng xốp, mô xương mô thể người phát triển vào lỗ xốp hợp kim tạo nên liên kết xương nhân tạo mô thể, độ xốp lớn với tỷ lệ độ xốp hở liên thông cao đảm bảo cho chất dịch thể dễ dàng truyền qua sau cấy ghép Ở Việt Nam, vật liệu y sinh phải nhập từ nước ngoài, chúng đắt nhu cầu thay lớn làm cho chi phí y tế tăng lên nhiều Do việc chủ động tiếp cận công nghệ sản xuất vật liệu y sinh hướng nghiên cứu phù hợp đòi hỏi cần thiết Đó lý tác giả lựa chọn đề tài: “Chế tạo hợp kim Titan xốp ứng dụng làm vật liệu cấy ghép”trong điều kiện thí nghiệm có Việt Nam, thành công đề tài luận văn tảng bước khởi đầu việc chế tạo vật liệu y sinh, thay vật liệu nhập ngoại Luận văn thực theo chương trình nghiên cứu đề tài cấp Bộ Giáo dục Đào tạo, mã số B2015-01-96 4.5 Xây dựng hàm mục tiêu tối ƣu hóa công nghệ chế tạo hợp kim titan xốp 4.5.1 Giới thiệu phƣơng pháp Để nghiên cứu tối ưu hóa trình công nghệ chế tạo vật liệu y sinh hợp kim titan xốp phương pháp phân rã thiêu kết, sử dụng số phương pháp: - Phương pháp biểu đồ; - Phương pháp giải tích; - Phương pháp thống kê; - Phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm Ba phương pháp có ưu điểm xác Tuy nhiên, để xây dựng mô hình biểu diễn mối quan hệ chất lượng sản phẩm điều kiện thí nghiệm ta phải tìm qui luật thay đổi Có nghĩa tiến hành thí nghiệm bắt buộc có thay đổi vài biến định Như số thí nghiệm lớn, điều kiện thí nghiệm phải khắt khe, xác Điều làm được, điều kiện thí nghiệm có Mặt khác, chất lượng sản phẩm không phụ thuộc vào yếu tố xét, mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên ta biết trước điều khiển xác được, yếu tố làm giảm độ tin cậy kết đo, hay nói cách khác độ không đảm bảo đo Với phương pháp quy hoạch thực nghiệm, có ưu điểm chủ động bố trí thí nghiệm cho: số thí nghiệm ít; tính toán ngắn gọn, đơn giản mà đảm bảo độ xác định Vì vậy, với mục đích nghiên cứu tính chất vật liệu hợp kim titan xốp tổng hợp từ vật liệu ban đầu bột kim loại TiH2; bột Nb bột Zr phương pháp phân rã thiêu kết như: độ xốp, mô đun đàn hồi 78 Tác giả lựa chọn phương pháp nhằm tối ưu hóa quy trình công nghệ chế tạo vật liệuhợp kim titan xốp phương pháp space holder 4.5.2 Mô hình nghiên cứu X1 X2 X3 Z1 Y1 Z2 Đối tượng Y2 Z3 nghiên cứu Hình 4.7 Mô hình nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm Trong đó: Xi (i =  3): yếu tố ngẫu nhiên (không xét) Zi (i =  3): yếu tố ảnh hưởng (điều khiển được) Yi (i =  3): yếu tố khảo sát (hàm mục tiêu)  Chọn yếu tố ảnh hƣởng: Z1:Nhiệt độ thiêu kết, oC Z2: Thời gian thiêu kết, Z3:Áp lực ép, MPa  Chọn hàm mục tiêu: Y1: Độ xốp, % ; Y2:Mô đun đàn hồi, MPa Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng: Y1 = f(Z1, Z2, Z3) ;Y2 = f(Z1, Z2, Z3)  Chọn miền khảo sát: Theo nghiên cứu phân tích, miền khảo sát yếu tố sau: + Nhiệt độ thiêu kết: T = 1050  1250 oC + Thời gian thiêu kết:  = 2 + Áp lực ép sơ bộ: P = 150  250 MPa Từ xây dựng điều kiện thí nghiệm theo bảng 4.3 79 Bảng 4.3 Điều kiện thí nghiệm đƣợc chọn Các yếu tố ảnh hƣởng Các mức Áp lực ép Z3, MPa Thời gian thiêu kết Z2, Nhiệt độ thiêu kết Z1, oC Mức (+1) 250 1250 Mức sở (0) 200 1150 Mức (-1) 150 1050 Khoảng biến thiên 50 100 Thực nghiệm yếu tố toàn phần mức, k yếu tố ảnh hưởng Số thí nghiệm 11 theo điều kiện chọn bảng 4.3 Trong đó, số thí nghiệm phương án N = 2k = (k = 3), số thí nghiệm lặp tâm Trong hệ tọa độ không thứ nguyên, tọa độ mức (+1) mức (-1), tâm (0) trùng với gốc hệ tọa độ Kế hoạch tiến hành thí nghiệm (ma trận kế hoạch) thể (bảng 4.4) Như vậy, phương pháp qui hoạch tuyến tính để tối ưu hóa trình công nghệ chế tạo hợp kim xốp Ti-3,5Nb-3,5Zr phương pháp phân rã thiêu kết ta sử dụng phần mềm Modde để tính toán nhận hai phương trình đặc trưng (4.1) (4.2) Hai phương trình lượng hóa thể tác động yếu tố công nghệ đến độ xốp mô đun đàn hồi hợp kim xốp Ti-3,5Nb-3,5Zr Phương trình hồi quy hàm độ xốp: Y1= 9,52727 – 0,425X1 – 0,45X2 – 2,25X3 (4.1) Phương trình hồi quy hàm modun đàn hồi: Y2 = 4,36364 + 0,235X1 + 0,98X3 80 (4.2) Bảng 4.4 Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết thí nghiệm TT Số thí nghiệm Giá trị yêu tố Giá trị yêu tố hệ tọa độ không thứ quy mô tự nguyên nhiên Giá trị hàm mục tiêu X0 X1 X2 X3 Z1 Z2 Z3 Y1, % Y2, GPa + - - - 1050 150 13 3,14 + + - - 1250 150 12,3 3,54 + - + - 1050 150 12 3,2 + + + - 1250 150 10,2 3,8 + - - + 1050 250 7,7 5,2 + + - + 1250 250 7,3 5,8 + - + + 1050 250 7,5 5,12 + + + + 1250 250 5,4 + 0 1150 200 4,5 10 + 0 1150 200 9,5 11 + 0 1150 200 9,3 4,3 phƣơng án 2k Số thí nghiệm tâm 81 4.6 Chế thử mẫu hợp kim Titan xốp phƣơng pháp phân rã thiêu kết có chất tạo độ xốp (Space Holder) lò chân không cao Kết nghiên cứu, phân tích điều thể rõ điểm tồn sau đây: tiêu độ bền, mô đun đàn hồi chưa đạt yêu cầu, bề mặt mẫu lòng lỗ xốp bị oxy hóa Nguyên nhân tượng xác định độ chân không thiêu kết lò ống, tự lắp đặt phòng thí nghiệm, không đạt yêu cầu (độ chân không sâu đạt 10-1Pa) Để khắc phục, thí nghiệm phần thực lò thiêu kết chân độ chân không cao (10-5 Tor) Viện Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam Qua chế độ công nghệ thí nghiệm chương lựa chọn dựa kết khảo sát hàm hồi quy tuyến tính chương 4,cụ thể sau: - Áp lực ép đóng bánh sơ bộ: 200 MPa - Nhiệt độ thiêu kết: 11500C - Thời gian thiêu kết: 3h Theo kết thực nghiệm phân tích chương trước nhận thấy tác động thông số công nghệ như: áp lực ép, thời gian nung nhiệt độ nung ảnh hưởng lớn đến độ xốp mô đun đàn hồi mẫu nhận kết lượng hóa hai hàm mục tiêu độ xốp mô đun đàn hồi Để có độ xốp cao hơn, vật liệu cần bổ sung lượng chất phụ gia để tạo thêm độ xốp (phương pháp space holder), chương thử nghiệm bổ sung chất phụ gia với tỷ lệ: 10%; 20%; 30%; 40%; 50% theo khối lượng Trong thí nghiệm có sử dụng thêm chất kết dính PVA (PolyVinil Alcoho) để tạo hình dạng khối vật liệu trước thiêu kết.Thiết bị phân rã – thiêu kết lò chân không cao (10-5 Tor) trình bày (hình 4.8) Môi trường thiêu kết chân không lò tạo bơm sơ cấp bơm khuếch tán 82 Hình 4.8 Lò thiêu kết chân không cao 10-5 Tor 83 4.6.1 Kết xác định thành phần pha Trên giản đồ nhiễu xạ X-ray (hình 4.9) ta dễ dàng nhận thấy không xuất đỉnh pha TiH2 giản đồ X-ray bột nguyên liệu ban đầu (hình 3.3) nghĩa TiH2 phân rã hết Không có xuất pha TiO2; ZrO2; NbO mẫu thiêu kết không bị oxi hóa thay vào xuất đỉnh pha Ti, Nb Zr Các đỉnh pha Nb Zr thấp hàm lượng bột phối liệu ban đầu nhỏ Điều chứng tỏ thiết bị thiêu kết đảm bảo môi trường chân không tốt, khắc phục hoàn toàn tình trạng mẫu bị oxi hóa mà chế độ khảo sát chương trước thực lò ống SRJX-2-13 Như trình phân rã - thiêu kết thực theo chế độ chọn hoàn toàn hợp lý 84 VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Ti-Nb-Zr (24-2-2016) 500 d = 2 300 10 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Toan-DHBK-Ti-Nb-Zr(24-2-2016).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 02/24/16 10:55:05 05-0682 (D) - Titanium, syn - Ti - Y: 6.92 % - d x by: 1.006 - WL: 1.54056 34-0657 (C) - Zirconium - Zr - Y: 1.09 % - d x by: 0.986 - WL: 1.54056 01-1183 (D) - Niobium - Nb - Y: 5.27 % - d x by: 0.990 - WL: 1.54056 Hình 4.9 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu TiH2 – 3,5Nb – 3,5Zr sau thiêu kết 85 70 d = d = d = 3 1 d = d = d = d = 2d.3=623.368 100 d = d = 200 d = Lin (Cps) 400 4.6.2 Kết xác định độ xốp mẫu sau thiêu kết Bảng 4.5 Kết xác định độ xốp Mẫu thí nghiệm Nhiệt độ thiêu kết (T,0C) 1150 Thời gian thiêu kết (, h) 1150 200 Hàm lƣợng chất phụ gia(%) 10 200 20 12,9 1150 200 30 18,6 1150 200 40 45,4 1150 200 50 53,3 Áp lực ép (P, MPa) Độ xốp % 10,5 Theo số liệu đo chế độ ép - thiêu kết có chất phụ gia khác thể bảng 4.5, đem so sánh độ xốp mẫu số số (45,4 ÷ 53,3) % yêu cầu tính mà chương đưa (40 ÷ 60) % ta thấy kết độ xốp mẫu nhận hoàn toàn tương đồng phù hợp với phân tích lí thuyết đưa ban đầu Thông qua kết mẫu chất phụ gia mẫu có chất phụ gia tạo độ xốp cho thấy, áp lực ép không thông số ảnh hưởng mạnh đến độ xốp tỷ trọng mẫu mà chất phụ gia tạo độ xốp thông số quan trọng không Nó giúp điều chỉnh độ xốp mẫu thông qua điều chỉnh mô đun đàn hồi đạt theo mong muốn Như vậy, với hàm lượng chất phụ gia nằm khoảng (40 ÷ 50) % chế độ phù hợp 4.6.3 Kết xác định mô đun đàn hồi mẫu sau thiêu kết Dựa vào kết (bảng 4.6), ta nhận thấy mô đun đàn hồi mẫu dao động khoảng (3,7 ÷ 9,6) GPa Kết cho thấy mô đun đàn hồi mẫu đạt phù hợp với yêu cầu thiết kế vật liệu đưa chương khoảng (2 ÷ 10) GPa Tuy nhiên với yêu cầu thiết kế vật liệu chương để vừa đảm bảo yêu cầu mô đun đàn hồi vừa phải phù hợp với độ xốp mẫu số (4); (5) có mô đun đàn hồi phù hợp So sánh mô 86 đun đàn hồi mẫu có chất tạo xốp thiêu kết lò chân không cao với mô đun đàn hồi mẫu chất tạo xốp thiêu kết lò ống SRJX-213, ta thấy có thêm chất tạo độ xốp, mẫu có mô đun đàn hồi cao so với mẫu chất tạo xốp Điều giải thích mẫu thiêu kết lò chân không cao bề mặt lỗ xốp không bị ô xi hóa, không làm giảm tính mẫu sau thiêu kết mẫu lò ống SRJX-2-13 Bảng 4.6 Kết xác định mô đun đàn hồi Mẫu Nhiệt độ Thời gian thí thiêu kết thiêu kết nghiệm (T,0C) (, h) 1150 1150 Hàm lƣợng Mô đun chất phụ đàn hồi gia(%) (GPa) 200 10 9,6 200 20 8,57 1150 200 30 6,6 1150 200 40 4,6 1150 200 50 3,7 Áp lực ép (P, MPa) Hình 4.10 Đƣờng cong ứng suất biến dạng mẫu 40% chất tạo xốp 87 4.6.4 Kết xác định hình ảnh/tổ chức tế vi mẫu sau thiêu kết Trên (hình 4.12) mẫu sau thiêu kết có thêm chất phụ gia tạo độ xốp thiêu kết lò chân không cao cho bề mặt sáng trắng có ánh kim Như ngoại quan nhận thấy mẫu sau thiêu kết không bị oxi hóa mẫu thiêu kết lò ống SRJX-2-13 có màu tối sẫm Điều chứng minh kết giản đồ nhiễu xạ X-ray (hình 4.9) xuất pha oxit kim loại Kết phân tích hình ảnh tổ chức tế vi hiển vi điện tử quét (SEM) (hình 4.11) với độ phân giải cao ta thấy bề mặt lỗ xốp không xuất màng gợn sóng mấp mô bị oxi hóa mẫu thiêu kết lò ống SRJX-2-13, hạt bột liên kết với hoàn toàn 88 Hình 4.11 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu sau thiêu kết 11500C 3h (X2000 X2500) Hình 4.12 Hình ảnh mẫu sau thiêu kết có chất phụ gia tạo độ xốp lò chân không cao 89 4.7 Kết luận Trong chương 4, tác giả tiến hành chế thử mẫu phương pháp phân rã thiêu kết sử dụng chất tạo độ xốp (space holder), qua kết phân tích cho thấy: Cơ tính mô đun đàn hồi nằm phạm vi cho phép vật liệu cấy ghép chân Đã hoàn toàn khử bỏ trình oxy hóa thiêu kết, pha oxit không xuất giản đồ nhiễu xạ Rơnghen, không xuất màng oxit bề mặt lỗ xốp Hàm lượng chất phụ gia nằm khoảng (40 ÷ 50) % chế độ phù hợp để tạo độ xốp mong muốn Chế độ công nghệ ổn định hợp lý tính toán lựa chọn từ hàm hồi quy xác định là: - Áp lực ép đóng bánh sơ bộ: 200 MPa - Nhiệt độ thiêu kết: 1150 0C - Thời gian thiêu kết: 3h - Hàm lượng chất tạo độ xốp: (40-50) % khối lượng - Chân không: 10 -5 tor Với công nghệ ép –phân rã thiêu kết sử dụng chất tạo độ xốp (space holder), thực lò chân không cao hoàn toàn chế tạo hợp kim Ti – 3,5Nb – 3,5 Zr ứng dụng làm vật liệu cấy ghép chân 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trước nhu cầu thực tiễn vật liệu cấy ghép dùng y học có vật liệu cấy ghép chân răng, đề tài nghiên cứu loại vật liệu y sinh, lựa chọn hợp kim Titan xốp Ti-3,5Nb-3,5Zr làm đối tượng nghiên cứu đề tài Hợp kim thiết kế nhằm mục đích thay hợp kim Titan khác có chứa nguyên tố có hại cho sức khỏe V, Al, Ni,… phải đảm bảo tính bao gồm độ bền cao, mô đun đàn hồi thấp độ xốp cao Hợp kim Titan dễ bị oxy hóa gia công nhiệt độ cao, nguyên nhân dẫn đến hệ vật liệu chưa chế tạo phổ biến Việt nam Trong đề tài luận văn này, tác giả nghiên cứu công nghệ thiêu kết hợp kim Titan phổ biến giới, lựa chọn công nghệ phân rã thiêu kết sử dụng chất tạo độ xốp (Space Holder) để chế tạo Vật liệu Luận văn thiết kế quy trình công nghệ phân rã thiêu kết, tính toán hàm lượng cấu tử vật liệu Xác định thông số công nghệ, khoảng khảo sát thông số công nghệ ảnh hưởng mạnh bao gồm: Áp lực ép, Nhiệt độ, thời gian thiêu kết, xác định tiêu chí đánh giá: Độ bền, mô đun đàn hồi, độ xốp Thực thí nghiệm thăm dò theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm Xây dựng hai hàm mục tiêu độ xốp mô đun đàn hồi Tác giả phân tích tối ưu số liệu thí nghiệm: tính chất học, chuyển biến pha, tổ chức tế vi mẫu thực hệ thống lò ống chân không thấp từ đề xuất thực lò chân không cao Công nghệ phân rã thiêu kết sử dụng chất tạo độ xốp (Space Holder), thực lò chân không cao cho phép khẳng định: Hoàn toàn chế tạo hợp kim Titan xốp Ti-Nb-Zr điều kiện nước ta 91 THƢ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Văn Dũng (2009), Biến dạng tạo hình vật liệu bột compozit hạt, Nhà xuất Bách khoa, Hà Nội Nghiêm Hùng (2010), Vật liệu học sở, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Yuhua, Chao Yang, Haidong Zhao, (2014),New Development sof TiBased Alloysfor Biomedical Applications, South China University of Technology, Guangdong, China Tamiye Simone Goia, Kalan Bastos Violin, (2013) Titaniumand Ti13Nb-13ZrAlloyPorousImplants Obtained by Space-HolderTechnique withcAddition ofAlbumin, Cidade Universitária,SãoPaulo/SP,Brasil Arne Biesiekierski; James Wang; MohamedAbdel-HadyGepreel; CuieWen (2012) Anew look at biomedical Ti-based shape memory alloys Autralia Mitsuo Niinomi; Masaaki Nakai; Junko Hieda (2012) Development of new metallic alloys for biomedical applications Japan Ik-HyunOh, Naoyuki Nomuraand Shuji Hanada (2001) Microstructure sand Mechanical Propertiesof Porous Titanium Compacts Prepared by Powder Sintering Japan Tamiye Simone Goia, Kalan Bastos Violin, José Carlos Bressianiand Ana Helenade Almeida Bressiani (2012) Titaniumand Ti-13Nb13ZrAlloy Porous Implants Obtained bySpace-Holder Technique with Addition of Albumin Brasil X.Rao,C.L.Chu,Y.Y.Zheng (2014) Phase composition, microstructure, and mechanical properties of porous Ti- Nb-Zr alloys prepared by a two-step foaming powder metallugy method.7 february 2014 92 ... trƣng hợp kim Titan xốp 16 1.5.1 Một vài nét chung hợp kim Titan xốp 16 1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính hợp kim Titan xốp 17 1.6 Thiết kế vật liệu hợp kim Titan xốp dùng làm cấy ghép. .. loại vật liệu y sinh nghiên cứu ứng dụng, vật liệu kim loại đóng góp tỷ trọng không nhỏ, chủ yếu thép không gỉ hợp kim xốp Titan Trong số vật liệu kim loại, titan hợp kim tìm ngày nhiều coi vật liệu. .. ρbulk Tương ứng tỷ trọng vật liệu xốp vật liệu đặc Mô đun đàn hồi hợp kim Ti xốp tạo khoảng tương đối rộng Các nhà nghiên cứu kết luận rằng, xốp sử dụng làm vật liệu cấy ghép cần phải đáp ứng yêu