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

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 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 luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

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 TỒN 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 Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, phòng Đào tạo, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Khoa học vật liệu, viện Hàn Lâm khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi, đóng góp ý kiến cho tác giả suốt thời gian học tập hoàn thành luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Văn Dũng người tận tình định hướng, hướng dẫn tạo điều kiện tốt để hoàn thành luận văn đạt kết ngày hôm Tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, tạo điều kiện gia đình, bạn bè, anh em q trình học tập hồn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn! Tác giả Nguyễn Văn Tồn i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan nội dung luận văn cơng trình nghiên cứu Các kết nghiên cứu trung thực, minh bạch chưa công bố cơng trình nghiên cứu trước 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 CHƢƠNG 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 1.1.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính hợp kim titan xốp 1.1.3 Hợp kim xốp hệ Ti-Nb-Zr 1.2 SỰ TƢƠNG THÍCH CỦA VẬT LIỆU Y SINH VỚI CƠ THỂ CON NGƢỜI .14 1.2.1 Tính tương thích 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 chủ yếu .23 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 24 CHƢƠNG 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 chân không 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 chân không 36 2.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 38 CHƢƠNG 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 học 44 3.1.3 Ép tạo khối hỗn hợp bột kim loại .45 3.1.4 Thiêu kết chân không 47 3.2 TỐI ƢU HĨA CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BẬC 53 3.2.1 Giới thiệu phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc 53 3.2.2 Các bước thực quy hoạch thực nghiệm .55 3.3 XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG 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 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 đo độ xốp mẫu sản phẩmTi-3.5Nb-3.5Zr .64 4.1.2 Kết đo modun đàn hồi mẫu Ti-3.5Nb-3.5Zr 72 4.1.3 Kết chụp X-Ray mẫu sau thiêu kết 78 iv 4.1.4 Kết kiểm tra tổ chức tế vi mẫu Ti-3.5Nb-3.5Zr 82 4.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 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 tỷ trọng đến mođun đàn hồi độ bền mẫu sản phẩm Hình 1.2 Ảnh hưởng độ xốp đến giới hạn chảy vật liệu y sinh [12] Hình 1.3 Ảnh hưởng kích thước lỗ xốp đến độ bền nén mođun đàn hồi hợp kim titan xốp 64% Hình 1.4 Ảnh hưởng tỷ trọng tương đối đến độ dày trung bình vách lỗ xốp kích thước lỗ xốp đến hàm lượng oxy chứa xương [12] Hình 1.5 Ảnh hưởng áp lực ép đến độ xốp vật liệu y sinh [12] Hình 1.6 Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết tới tỷ trọng mẫu Ti-13Nb-13Zr 10 Hình 1.7 Ảnh chụp tổ chức tế vi mẫu Ti-13Nb-13Zr sau thiêu kết nhiệt độ khác với tốc độ nâng nhiệt 20℃/ph giữ nhiệt 2h .11 Hình 1.8 Ảnh SEM bột sau thiêu kết với hàm lượng chất tạo xốp khác nhau: 12 Hình 1.9 Ảnh SEM mẫu sau thiêu kết 13 Hình 1.10 Đường cong ứng suất- biến dạng hợp kim Ti-20Nb-15Zr với hàm lượng chất tạo xốp khác .14 Hình 1.11 Cấu tạo xương người .15 Hình 1.12 Đường cong ứng suất -biến dạng xương người vật liệu cấy ghép 17 Hình 1.13 Modun đàn hồi xương người vật liệu cấy ghép thường sử dụng 18 Hình 1.14 Tính an toàn vật liệu y sinh kim loại .19 Hình 1.15 Vị trí cấy ghép chân nhân tạo 23 Hình 1.16 Kết cấu chân 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 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 .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 phản ứng SHS 33 vii Hình 2.6 Các bước trình tổng hợp NiTi phương pháp SHS 33 Hình 2.7 Tổ chức tế vi mẫu NiTi sử dụng Ammonium Hydrrogen Carbonate làm chất tạo xốp HIP với 0% (a) 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 xác g Trường ĐHBK Hà Nội 43 Hình 3.5 Máy nghiền trộn dạng tang trống Viện Hàn lâm KH CN Việt Nam 45 Hình 3.6 Hỗn hợp bột kim loại sau nghiền trộn với tốc độ 30 vg/ph 45 thời gian 2h 45 Hình 3.7 Máy ép thủy lực 10T Viện Hàn lâm KH CN Việt Nam 46 Hình 3.8 Khuôn chày ép .46 Hình 3.9 Lị thiêu kết chân không Tor Viện Hàn lâm KH CN Việt Nam 49 Hình 3.10 Giản đồ pha Nb – Ti 50 Hình 3.11 Giản đồ pha Zr-Nb 51 Hình 3.12 Giản đồ pha 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 dung dịch Parafin Wax sơi 59 Hình 3.16 Cân mẫu sản phẩm thấm Parafin Wax nước 60 Hình 3.17 Máy thử kéo nén MTS 62 Hình 4.1 Độ xốp tổng mẫu sản phẩm 64 Hình 4.2 Sự phân bố yếu tố đầu vào 66 Hình 4.3 Đường đồng mức độ xốp nhiệt độ thiêu kết: 69 Hình 4.4 Sự phụ thuộc độ xốp vào áp lực ép (a), nhiệt độ thiêu kết (b) thời gian thiêu kết (c) .69 Hình 4.5 Mặt đồng mức thể phụ thuộc độ xốp vào áp lực ép thời gian thiêu kết nhiệt độ thiêu kết 1000 ℃ 70 viii modun đàn hồi mẫu Khi nhiệt độ tăng modun đàn hồi mẫu thí nghiệm tăng a b c Hình 4.10 Các đường đồng mức thể thay đổi modun đàn hồi nhiệt độ khác Modun đàn hổi ( GPa ) a 1000 ℃ ; b 1100℃; c 1200℃ a b c Hình 4.11 Sự phụ thuộc modun đàn hồi vào thông số công nghệ a Áp lực ép;b Nhiệt độ thiêu kết; c Thời gian thiêu kết Qua hình 4.11 nhận thấy nhiệt độ thiêu kết có độ dốc lớn điều cho thấy modun đàn hồi phụ thuộc ma mạnh nhấy vào nhiệt độ Điều thể hình 4.11b độ dốc đường biểu diễn lớn 76 Hình 4.12 Mặt đồng mức thể phụ thuộc modun đàn hồi vào áp lực ép, thời gian thiêu kết nhiệt độ thiêu kết 1000 ℃ Hình 4.13 Mặt đồng mức thể phụ thuộc modun đàn hồi vào áp lực ép, thời gian thiêu kết nhiệt độ thiêu kết 1100 ℃ 77 Hình 4.14 Mặt đồng mức thể phụ thuộc modun đàn hồi vào áp lực ép, thời gian thiêu kết nhiệt độ thiêu kết 1200℃ 4.1.3 Kết chụp X-Ray mẫu sau thiêu kết Để xác định thành phần pha xuất pha oxit , mẫu sản phẩm sau thiêu kết tiến hành chụp nhiễu xạ X – Ray Kết thu hình 4.15 Hình 4.15 cho thấy mẫu xốp Ti-3.5Nb-3.5Zr sau thiêu kết chân khơng cao 1200 ℃ vịng 4h thấy xuất pha Ti, Nb không thấy xuất pha liên kim, pha oxit TiO2, ZnO Điều chứng tỏ mẫu sau thiêu kết khơng bị oxi hóa hay bị oxi hóa Để xác định xuất pha α – titan pha β – titan vẽ lại giản đồ X-Ray phần mềm origin quan tâm tới xuất pick titan 78 VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau T i-Nb-Zr - 5b d=1.2585 d=1.3452 d=1.4820 d=1.6344 d=1.7438 100 d=2.3658 d=2.3115 200 d=2.5723 Lin (Cps) d=2.2576 300 10 20 30 40 50 60 2-T heta - Sc ale File: Toan-DHBK -Ti-Nb-Zr-5b.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - S tep: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 ° C (Room) - Anode: Cu - Creation: 07/13/17 17:29:53 01-1183 (D) - Niobium - Nb - Y: 2.90 % - d x by: 0.990 - WL: 1.54056 44-1294 (* ) - Titanium - Ti - Y: 10.18 % - d x by: 1.008 - WL: 1.54056 Hình 4.15 Nhiễu xạ tia X mẫu xốp Ti – 3.5 Nb- 3.5 Zr 1200 ℃ 4h 79 70 80  250 : a Titan : b Titan Lin (Cps) 200 150  100  50     20 30 40 50 60 70 80 theta Hình 4.16 Nhiễu xạ tia X mẫu xốp Ti – 3.5 Nb- 3.5 Zr 1200 ℃ 4h Theo kết thu nhận hình 4.16 nhận thấy xuất pha α – titan pha β – titan Pha β – titan hình thành nhiệt độ thiêu kết cao nhiệt độ chuyển pha từ pha α – titan sang pha β – titan làm nguội nhanh Pha β – titan xác định dựa vào định luật Vulf - Bragg: n.λ=2.dhkl sin Trong : (4.5) n– bậc phản xạ, λ– bước sóng nguồn làm anot – góc quét dhkl – khoảng cách mặt phẳng nguyên tử Mặt khác : Trong : 2 2 h,k,l – số phương mạng theo Miller 80 (4.6) a - số mạng Ta có n = , λ = 1.56 Å ( anot làm Cu ) Pick β – Titan đạt giá trị lớn = Thay vào (4.5) ta được: Å = (4.7) Ta có a = 3.348 Å , số (h,k,l) phương xếp chặt ( 1,1,1,) thay vào (4.6) ta được: Å (4.8) Vậy theo (4.7) (4.8) ta thấy kết lý thuyết tính tồn từ ta kết luận mẫu thí nghiệm sau thiêu kết tồn pha α – titan β – titan Hình 4.17 giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu thiêu kết 1200℃ (b) 1000 ℃ (a) Qua giản đồ nhận thấy nhiệt độ thiêu kết khác xuất pha α titan pha β titan với cường độ khác Dựa vào pick nhiễu xạ, đánh giá định tính xuất tỉ lệ pha α titan pha β titan Theo lập luận trên, nhận thấy pha β titan xuất góc = 39 ᵒ Trên hình a , nhận thấy pick β titan đạt cường độ 80 cps , pick α titan xuất mạnh đạt cường độ 193 cps góc = 40ᵒ Tương tự hình b , pick β titan mạnh đạt cường độ 67 cps pick α titan đạt cường độ mạnh lên tới 240 cps Như vậy, qua giản đồ nhận xét định tính rằng: tổng pha α titan pha β titan không đổi, % pha α titan tăng % pha β titan tăng ngược lại Xét tới ảnh hưởng nhiệt độ trình hình thành pha titan, nhiệt độ 1000 ℃, % pha β titan hình thành (với cường độ 80 cps) lớn % pha β titan hình thành 1200 ℃ (cường độ 67 cps) Sự hình thành pha β titan quan trọng tính mẫu titan xốp sau trình thiêu kết đặc biệt ảnh hưởng tới modun đàn hồi mẫu Như trình bày chương I, % pha β titan lớn modun đàn hồi mẫu giảm Các mẫu nhiệt độ 1200℃ có modun đàn hồi cao so với mẫu có nhiệt độ thiêu kết 1000℃ ( theo kết bảng 4.6 ) 81 a  200 : a Titan : b Titan Lin (Cps) 150 100   50     20 30 40 50 60 70 80 theta b 250  : a Titan : b Titan Lin (Cps) 200 150  100  50     20 30 40 50 60 70 theta Hình 4.17 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu sau thiêu kết 4h nhiệt độ: a.1000 ℃; b 1200 ℃ 4.1.4 Kết kiểm tra tổ chức tế vi mẫu sản phẩm Ti-3.5Nb-3.5Zr 82 80 Mẫu sản phẩm sau thiêu kết tiến hành đánh giá tiêu tính, độ xốp tổ chức tế vi thành phần pha Để phân tích thành phần pha mẫu sản phẩm tiến hành đo thiết bị kính hiển vi quang học với độ phóng đại khác Mẫu trước đo cần chuẩn bị cẩn thận để đạt kết tốt Đầu tiên mẫu sản phẩm đánh với giấy giáp từ 100 tới 1500 ,sau lần thay giấy mẫu quay vng góc với phương trước để làm hết vết xước bề mặt mẫu Tiếp theo mẫu tiến hành đánh bóng với dung dịch đánh bóng chuyên dụng nhằm giúp bề mặt mẫu hạn chế tối đa vết xước trình mài Cuối mẫu tiến hành với dung dịch tẩm thực gồm 10%HF, 5% HNO3 lại 85% nước cất; trình tẩm thực dựa ngun lý ăn mịn kim loại Các kim loại khác nhau, pha khác có tốc độ ăn mịn biên giới hạt khác ta quan sát nhận biết bề mặt quan sát gồm pha dự đốn pha Quá trình tẩm thực diễn từ 10 – 30s phụ thuộc nồng độ axit độ mẫu sau đánh bóng Trên hình 4.18 thể ảnh hiển vi quang học mẫu thí nghiệm sau q trình thiêu kết 1200℃ với độ phóng đại khác Hình 4.18a pha sáng pha tối thể rõ ràng, pha tối phân biệt ta quan sát pha β titan phân bố pha β tiatan đơng Khi tăng độ phóng đại lên 200 lần, quan sát tổ chức mẫu hình 4.18b Hình 4.18b cho thấy pha màu đen có tổ chức hình kim dạng nhánh rõ ràng 83 a b Hình 4.18 Ảnh hiển vi quang học mẫu sản phẩm sau trình thiêu kết 1200℃ với độ phóng đại khác a ×100 lần ; b ×200 lần a b Hình 4.19 Ảnh hiển vi quang học mẫu sản phẩm sau trình thiêu kết nhiệt độ khác nhau: a 1000 ℃ ; b 1200 ℃ Hình 4.19 cho thấy ảnh hiển vi quang học mẫu thí nghiệm sau q trình thiêu kết nhiệt độ 1000℃ 1200℃ Trên hình 4.22 nhận thấy xuất pha β titan với tổ chức hình kim kích thước va hình dạng khác 84 Hình 4.19a, mẫu thiêu kết 1000℃, nhận thấy tổ chức hình kim có kích thước ngắn Hình 4.19b, mẫu thiêu kết 1200℃ , tổ chức hình kim có kích thước dài hẹp so với 1000℃ Tổ chức tế vi mẫu hợp kim xốp sau thiêu kết chụp độ phân giải cao kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy: Hình 4.20 đưa ảnh hiển vi điện tử quét SEM mẫu thiêu kết 1200 ℃ với độ phóng đại khác Với độ phóng đại 1000 lần ( hình 4,20 a ), nhận thấy có xuất lỗ xốp kín hở, có lỗ xốp cỡ Macro Micro Xuất lỗ xốp liên thông với do: trình ép tạo hình vật liệu bột tồn lỗ xốp chúng; trình phần rã TiH2 dẫn tới H2 bên ngồi để lại lỗ trống hạt bột Tại nhiệt độ 1200 ℃ có khuếch tán cấu tử bột lẫn nhau, từ tiếp xúc điểm sau ép tạo hình thành tiếp xúc mặt sau trình thiêu kết Mặt khác, ta thấy lỗ xốp phân bố đồng với kích thước hình dạng khác bề mặt mẫu Với độ phóng đại lớn ( hình 4.20 b c ) nhận thấy titan có xuất hạt màu sáng với kích cỡ mịn khoảng (2 ÷ 5) μm, hạt Nb Zr chưa khuếch tán hết trình thiêu kết Điều cho thấy cần phải nâng cao thời gian thiêu kết kéo dài thời gian thiêu kết để cấu tử bột khuếch tán hoàn tồn Với độ phóng đại 10000 lần (hình 4.20d) ta thấy bề mặt bên lỗ xốp khơng có màng oxit giống thiêu kết môi trường chân khơng thấp [14] Điều cho thấy điều kiện chân khơng đảm bảo cho q trình thiêu kết, dẫn tới mẫu thiêu kết môi trường chân không cao có độ xốp cao mẫu thiêu kết môi trường chân không thấp Do mẫu thiêu kết chân không thấp, xuất màng oxit dẫn tới kích thước lỗ xốp giảm độ xốp giảm so với thiêu kết chân không cao Quan sát kỹ hình ta cịn thấy thớ dọc song song theo hướng khác Cấu trúc thớ dọc giúp mẫu đạt độ bền cao theo hướng khác 85 a b c d Hình 4.20 Ảnh hiển vi điện tử quét SEM mẫu sản phẩm sau trình thiêu kết 1200℃ với độ phóng đại khác a ×1000 lần ; b ×2500 lần ; c × 5000 lần; d ×10000 lần 86 4.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG Các mẫu sản phẩm chế tạo phương pháp phân rã – thiêu kết chân khơng cao phân tích tiêu tính như: modun đàn hồi, độ xốp tổ chức tế vi; Các mẫu thí nghiệm sau phân rã - thiêu kết chân khơng đảm bảo khơng bị oxy hóa cho phép sử dụng vật liệu y sinh; Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc tâm xoay xây dựng phương trình hồi quy thể phụ thuộc modun đàn hồi độ xốp vào thông số công nghệ: Y1= -65.8 – 0.018 + 0.2244 - 0.91 Y2 = 38.613 + 0.0062 - 0.0861 + 0.28 - 0.000131 +0.0000477 Từ đó, nhận thấy modun đàn hồi độ xốp mẫu thí nghiệm phụ thuộc vào thông số công nghệ: áp lực ép, thời gian thiêu kết nhiệt độ thiêu kết 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trước nhu cầu thực tiễn vật liệu y sinh nước ta nay, lựa chọn hợp kim xốp hệ Ti-3.5Nb-3.5Zr làm đối tượng nghiên cứu đề tài Hợp kim chế tạo nhằm thay hợp kim thép không gỉ hợp kim titan chứa nguyên tố có hại cho sức khỏe Al, Ni, đảm bảo tính bao gồm: độ xốp, modun đàn hồi Đã lựa chọn phương pháp phân rã – thiêu kết chân không cao để chế tạo hợp kim xốp hệ Ti-3.5Nb-3.5Zr Đã xây dựng quy trình cơng nghệ phân rã – thiêu kết để chế tạo hợp kim xốp hệ Ti-3.5Nb-3.5Zr xác định tiêu chí đánh giá mẫu sau thiêu kết: modun đàn hồi, độ xốp, tổ chức tế vi Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc tâm xoay để tiến hành xây dựng phương trình hồi quy độ xốp modun đàn hồi Qua phương trình hồi quy đánh giá ảnh hưởng mondun đàn hồi, độ xốp vào thông số cơng nghệ Nhiệt độ thiêu kết có ảnh hưởng mạnh tới độ xốp modun đàn hồi Các mẫu thiêu kết lị chân khơng cao Tor khơng bị oxy hóa bị oxy hóa khơng đáng kể điều khẳng định việc ứng dụng thiêu kết chân không để chế tạo vật liệu y sinh kim loại hoàn toàn hợp lý Đã chế tạo hợp kim titan xốp Ti-Nb-Zr điều kiện thí nghiệm Việt Nam, công nghệ phân rã - thiêu kết lị chân khơng cao 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đặng Thủy, Trần Văn Dũng, Nguyễn Văn Tồn, Hoa Xn Hịa, Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo vật liệu xốp TiNb3Zr3 phương pháp phân rã - thiêu kết, Tạp chí khoa học cơng nghệ kim loại, T6/2016 PGS TS Trần Văn Dũng, Biến dạng tạo hình vật liệu bột, NXB Bách khoa Hà Nội, 2000 GS TSKH Nguyễn Minh Tuyển, Quy hoạch tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2005 Hrabe, N.W Characterization of Cellular Titanium for Biomedical Applications Ph.D Thesis, University of Washington, Seattle, WA, USA, 28 May 2010 Oh, I.H.; Nomura, N.; Masahashi, N.; Hanada, S Mechanical properties of porous titanium compacts prepared by powder sintering Scr Mater 2003, 49, 1197–1202 Robertson, D.M.; Pierre, L.; Chahal, R Preliminary observations of bone in growth into porous materials J Biomed Mater Res 1976, 10, 335–344 Cameron, H.U.; Macnab, I.; Pilliar, R.M A porousmetal system for joint replacement surgery Int J Artif Organs 1978, 1, 104–109 Head, W.C.; Bauk, D.J.; Emerson, J.R Titanium asthe material of choice for cementless femoral components in total hip arthroplasty Clin Orthop Relat Res 1995, 311, 85–90 Gross, S.; Abel, E.W A finite element analysis of hollow stemmed hip prostheses as a means of reducing stress shielding of the femur J Biomech 2001, 34, 995–1003 10 Kuroda, D.; Niinomi, M.; Morinaga, M.; Kato, Y.; Yashiro, T Design and mechanical properties of new βtype titanium alloys for implant materials Mater Sci Eng A 1998, 243, 244–249 11 Niinomi, M.; Hattori, T.; Niwa, S Material Characteristics and Biocompatibility of Low Rigidity Titanium Alloys for Biomedical Applications In Biomaterials in 89 Orthopedics; Yaszemski, M.J., Trantolo, D.J., Eds.; Marcel Dekker Inc.: New York, NY, USA, 2004; pp 41–62 12 Wang, K The use of titanium for medical applications in the USA Mater Sci Eng A 1996, 213, 134–137 13 Wang, X.J.; Li, Y.C.; Xiong, J.Y.; Hodgson, P.D.; Wen, C.E Porous TiNbZr alloy scaffolds for biomedical applications Acta Biomater 2009,5, 3616–3624 14 Zhao, X.K.; Sun, H.B.; Lan, L.; Huang, J.H.; Zhang, H.; Wang, Y Pore structures of high-porosity NiTi alloys made from elemental powders with NaCl temporary space-holders Mater Lett 2009, 63, 2402–2404 15 Yuhua Li, Chao Yang, Haidong Zhao, Shengguan Qu, Xiaoqiang Li and Yuanyuan Li New Developments of Ti-Based Alloys for Biomedical Applications Materials 2014,7, 1709-1800; doi:10.3390/ma7031709 16 Melt Route Kota Kadoi, Norbert Babcsa ´n and Hideo Nakae Heat Treatment of TiH2 Powder to Control Decomposition Phenomenon for Aluminum Foam Fabrication Materials Transactions, Vol 50, No (2009) pp 727 to 733 #2009 The Japan Institute of Meta 90 ... 38 CHƢƠNG 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... gian thiêu kết, tăng tuổi thọ thiết bị gia công 38 CHƢƠNG CHẾ TẠO THỬ VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT HỢP KIM TITAN XỐP Ti3 .5Nb3 .5Zr 3. 1 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THỬ HỢP KIM TITAN XỐP Ti3 .5Nb3 .5Zr BẰNG... 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