Evaluation of properties of titanium-based biomedical alloys

Abstract

In this thesis a review on current biomedical alloys and research was made focusing on Ti alloys, and microstructures and elemental content of the phases of a TNZ-2Si sample and four Ti-Ga alloy samples were studied. The microstructures were studied with optical and scanning electron microscopy and the elemental contents with Energy-dispersive X-ray spectroscopy.

TNZ-2Si was identified as Ti-17Zr-11Nb-2Si. The matrix phase was TNZ, and Si was in (Ti+Zr+Nb)5Si3 intermetallic compound in two other phases. Of these phases, one formed boundaries and the other was closed inside the boundaries. The boundary phase contained about double amounts of Si and Zr compared with the other.

Of the Ti-Ga alloys, Ti-23Ga contained only 4,5 at-% Al in addition to Ti and Ga, and the structure was complete Ti3(Ga+Al). It was Ti-24Ga-4Al.

The rest of the Ti-Ga alloys had five elements: Ti, Zr, Al, Ga and Si. Ti-20Ga, which was identified as Ti-19Ga-9Al-4Zr-4Si, had a two-phase microstructure both being (Ti+Zr)3(Ga+Al+Si), where matrix contained only traces of Si and the another phase significantly less Al.

Ti-1Ga (Ti-9Al-5Zr-3Si-0.5Ga) and Ti-2Ga (Ti-9Al-3Zr-2Si-1.3Ga) samples were quite similar: the effect of increasing Ga seems to be decreased separation of Al and Si into different phases. Al was more present in matrix and Si in the second phase.

New Ti alloys showed interesting intermetallic phases which require a deeper study.

Tässä diplomityössä esitellään katsaus lääketieteellisiin metalliseoksiin ja niiden tutkimukseen keskittyen Ti-seoksiin, ja mikrorakenteet ja faasien koostumukset TNZ-2Si -näytteestä ja neljästä Ti-Ga -näytteestä tutkittiin. Optisella mikroskoopilla ja pyyhkäisyelektronimikrosskoopilla tutkittiin mikrorakennetta ja faasikoostumusta EDX:llä.

TNZ-2Si todettiin Ti-17Zr-11Nb-2Si seokseksi. Matriisi oli TNZ ja Si oli metallisidoksessa (Ti+Zr+Nb)5Si3 kahdessa muussa faasissa, joista toinen muodosti rajoja ja toinen oli rajojen sisällä. Rajafaasissa oli noin tuplasti piitä ja zirkoniumia verrattuna toiseen.

Ti-Ga -näytteistä Ti-23Ga sisälsi vain 4,5 at-% Al titaanin ja galliumin lisäksi, ja rakenne oli Ti3(Ga+Al). Loput Ti-Ga -näytteet sisälsivät lisäksi zirkoniumia ja piitä. Ti-20Ga, joka todettiin Ti-19Ga-9Al-4Zr-4Si sisältöiseksi, sisälsi kahta faasia, joista molemmat ovat (Ti+Zr)3(Ga+Al+Si), mutta matriisissa oli vain jäämiä piistä ja toisessa faasissa huomattavasti vähemmän alumiinia.

Ti-1Ga (Ti-9Al-5Zr-3Si-0.5Ga) ja Ti-2Ga (Ti-9Al-3Zr-2Si-1.3Ga) -näytteet olivat hyvin samankaltaisia: galliumin lisäämisen vaikutus näytti olevan vähentynyt piin ja alumiinin eriytyminen eri faaseihin. Al esiintyi runsaammin matriisissa ja pii toisessa faasissa.

Uusissa Ti-seoksissa näkyi kiinnostavia metallisidosfaaseja, jotka tarvitsevat tarkempaa tutkimusta.