ANALIZA WPŁYWU MIKROSTRUKTURY NA ODPORNOŚĆ

Anna ZIĘTY, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej, Politechnika Wrocławska,
Wrocław
Marzena LACHOWICZ, Katedra Materiałoznawstwa, Wytrzymałości i Spawalnictwa,
Politechnika Wrocławska, Wrocław
ANALIZA WPŁYWU MIKROSTRUKTURY NA ODPORNOŚĆ
KOROZYJNĄ STOPU TYTANU Ti6Al7Nb
THE ANALYSIS OF THE EFFECT OF MICROSTRUCTURE ON THE
CORROSION RESISTANCE OF TITANIUM ALLOY Ti6Al7Nb
Słowa kluczowe: stopy tytanu, Ti6Al7Nb, obróbka cieplna, mikrostruktura
1.WSTĘP
Stopy tytanu są obecnie najbardziej popularnymi biomateriałami, które charakteryzują się
nie tylko bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi, ale i – co najważniejsze pod
względem medycznego zastosowania – wysoką odpornością korozyjną w środowisku płynów
ustrojowych. Już dziś wiadomo, że mimo dużego zainteresowania stopem tytanu Ti6Al4V,
jego produkty korozji są toksyczne dla pacjenta. Stąd pojawiają się badania nad nowymi
stopami tytanu, których skład chemiczny pozwala na wyeliminowanie toksycznego
pierwiastka, jakim jest wanad, zastępując go obojętnym, np.: niobem czy tantalem.
To natomiast wiąże się z przygotowaniem odpowiedniego procesu obróbki cieplnej, bądź
plastycznej materiału. Okazuje się bowiem, że skład chemiczny oraz cechy mikrostruktury
otrzymane podczas procesów termo-mechanicznych determinują zachowanie się gotowego
stopu tytanu w agresywnym środowisku [1, 2, 5].
Stopy tytanu, takie jak Ti6Al4V, czy analizowany Ti6Al7Nb należą do stopów o strukturze
dwufazowej α+β. Kształtowanie ich mikrostruktury wynika ze specyficznych cech fizycznych
tytanu, ale i z warunków odkształcania na gorąco oraz obróbki cieplnej [1]. M.V. Popa z
zespołem [2] zwracają szczególną uwagę na charakterystyczne zmiany w mikrostrukturze przy
odkształceniach plastycznych stopu Ti6Al7Nb. Występują one nie tylko w przypadku koloni
płytek α+β, ale i w samej pierwotnej fazie β. W zależności od zastosowanej przeróbki
plastycznej, można uzyskać strukturę o odmiennym charakterze. Przykładowo stop
charakteryzuje się strukturą Widmanstättena, jeśli obróbkę plastyczną przeprowadza się w
zakresie fazy β, a strukturę ziarnistą, gdy deformacja dotyczy obszaru występowania fazy α+β.
Jak się okazało, ta druga faza jest również wrażliwa na obróbkę cieplną, m.in. starzenie.
Dodatkowo stwierdzono [3], że z punktu widzenia przeróbki plastycznej na gorąco
najkorzystniejszy zakres temperatur to 850-950°C przy szybkości odkształcania 0.01-0.1 s-1.
Udowodniono, że w tym zakresie temperatur zachodzi dynamiczna rekrystalizacja fazy α.
W pracy przeanalizowano istniejącą literaturę pod kątem wpływu mikrostruktury stopu
tytanu Ti6Al7Nb na jego odporność korozyjną w symulowanych płynach ustrojowych.
Jej różnorodność związana jest ze sposobem przetwarzania stopu, co również stało się
obiektem analizy i obserwacji.
2. WPŁYW MIKROSTRUKTURY STOPU Ti6Al7Nb NA ODPRONOŚĆ KOROZYJNĄ
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 144
W pracy B. Raja i innych [1] stop Ti6Al7Nb poddany został różnym obróbkom cieplnym
w celu utworzenia różnych mikrostruktur (inne temperatury wygrzewania, inne warunki
chłodzenia: woda, powietrze, chłodzenie w piecu). Próbki, na których dokonano dodatkowego
zabiegu starzenia wykazały najlepszą odporność na korozję. Ponadto zostało potwierdzone
[2, 4], że proces starzenia jest bardziej skuteczny dla materiałów mających równoosiową
strukturę niż strukturę Widmanstättena, która może doprowadzić do powstania korozji
wżerowej. Autorzy pracy [2] badali zachowanie się stopu tytanu Ti6Al7Nb w roztworze
Ringera o zmiennym pH. Doświadczenie porównywało stop w stanie dostarczenia z próbkami,
które poddano dodatkowym procesom obróbki cieplnej i plastycznej. Charakteryzowały się
one różnymi właściwościami strukturalnymi, m.in. struktura o niewielkim stopniu cech
struktury Widmanstättena, o strukturze odkształconej plastycznie z zainicjowanym procesem
rekrystalizacji i o gruboziarnistej strukturze. Wykazano, że na wszystkich próbkach,
niezależnie od warunków obróbki cieplnej spontanicznie tworzy się warstwa tlenkowa. W
porównaniu do badań na stopie Ti6Al7Nb w stanie dostawy, w pozostałych przypadkach,
zaobserwowano również zdecydowane zmniejszenie szybkości korozji i ilości uwalnianych
jonów do roztworu Ringera. Jeszcze w inny sposób do podobnych badań podszedł Cai i inni
[5]. W pracy została przeanalizowana odporność korozyjną stopu Ti6Al7Nb w stanie lanym w
środowisku sztucznej śliny. Autorzy wykazali, że powierzchnia piaskowana bez wstępnej
pierwotnej warstwy tlenkowej jest mniej odporna na korozję niż podłoże polerowane, bądź
piaskowane z warstwą tlenkową. Samo piaskowanie prowadzi do powstania niestabilnej,
bardzo cienkiej warstwy.
3. PODSUMOWANIE
Właściwości wytrzymałościowe, jak i właściwości fizykochemiczne, takie jak odporność
korozyjna stopu Ti6Al7Nb, zależą szczególnie od udziału i morfologii poszczególnych faz
mikrostruktury. Wiąże się to również ze składem chemicznym stopu i odpowiednio dobraną
zawartością poszczególnych pierwiastków. Cechy te ulegają dużej zmianie, szczególnie
po nagrzaniu do temperatury początku przemiany fazowej α+β↔β i wyższej. Stąd prawidłowy
dobór warunków obróbki cieplnej i przeróbki plastycznej, a co za tym idzie odpowiednie
kształtowanie mikrostruktury stopu Ti6Al7Nb istotnie wpływa na jego odporność w
środowisku agresywnym [1, 2, 3, 5].
LITERATURA
[1] L. Thair, U. Kamachi Mudali, R.Asokamani, Baldev Raj, Influence of microstructural on corrosion
behaviour of thermally aged Ti-6Al-7Nb alloy, Materials and Corrosion, 55, no. 5, 2004, s. 258265
[2] M.V.Popa, D. Raducanu, E. Vasilescu*, P. Drob, D. Cojocaru, C. Vasilescu, S. Ivanescu, J. C.
Mirza Rosca, Mechanical and corrosion behaviour of a Ti-Al-Nb alloy after deformation at
elevated temperatures, Materials and Corrosion, 59, no. 12, 2008, s. 919-928
[3] W.F. Cui, Z.Jin, A.H. Guo, L. Zhou, High temperature deformation behavior of α+β-type
biomedical titanium alloy Ti–6Al–7Nb, Materials Science and Engineering A, 499, 2009, s. 252–
256
[4] Mohsin T. Mohammed, Zahid A. Khan, Arshad N. Siddiquee, Corrosion in Biomedical Grade
Titanium Based, Materials: A Review, Indian journal of applied research, Vol.3, 2013, s. 206-210
[5] Zhuo Cai, Ty Shafer, Ikuya Watanabe, Martha E. Nunn, Toru Okabe, Electrochemical
characterization of cast titanium alloys, Biomaterials 24, 2003, s. 213–218