Study of Titanium Alloys for Biomaterial Use
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology |
Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2004
Department
Major/Subject
Metallurgia
Mcode
Mak-37
Degree programme
Language
en
Pages
63+5
Series
Abstract
The purpose of this thesis was first to get experience in the synthesis of beta-type titanium alloys by vacuum arc melting. The second goal was to conduct pin-on-disc -experiments for the synthesized alloys and compare their wear resistance properties to commercially pure titanium and to the alpha + beta -alloys Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb. Last, the hardening effects of different amounts of added silicon and CO-treatment were studied. In the theoretical part, titanium's use as a biomaterial is reviewed and its alloying is discussed. The carbide and oxide formation during the CO-treatment was also studied using FactSage and HSC. In the experimental part, three Ti-14Mo-3Nb-1.5Zr -alloys, as well as three similar alloys with different amounts of added silicon (0.05%, 0.1 % and 0.2%) were made, after which their abrasive properties, wear debris size and ion elution into 1 mass-% lactic acid were studied. The mass loss seemed to increase linearly when increasing the contact stress and it was clearly higher with the {j-titanium alloys than with commercially pure titanium or with the alpha + beta -alloys. The added amount of silicon proved to be too little to reliably measure its role in hardening of the alloys. The size of the beta-alloy's wear debris was much greater than that of commercially pure titanium's, but could not be accurately measured because of the great deviation in the debris size. CO-treatment increased the alloys' Vickers hardness notably and seemed to improve the wear resistance. Ion elution of the metal constituents was also detected after the wear testing.Työn ensimmäinen tavoite oli saada kokemusta beeta-tyypin titaaniseosten valokaariuunisynteesistä. Toinen päämäärä oli tehdä valokaariuunissa valmistetuille titaaniseoksille pin-on-disc -tyypin hankauskokeita ja verrata seosten hankausominaisuuksia sekä seostamattoman titaanin alfa + beeta -tyypin seosten Ti-6Al-4V ja Ti-6Al-7Nb vastaaviin. Lisäksi tutkittiin vielä piin lisäämisen sekä hiilimonoksidikäsittelyn vaikutusta titaaniseosten kovuuteen ja hankausominaisuuksiin, Teoriaosassa käydään ensin läpi titaanin käyttö biomateriaalina, jonka jälkeen keskitytään sen seostamiseen. Hiilimonoksidikäsittelyn aikana tapahtuvaa oksidien ja karbidien muodostusta tutkitaan FactSagen sekä HSC:n avulla. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin kolme Ti-14Mo-3Nb-1.5Zr -seoskappaletta, kuten myös kolme muuten samanlaista kappaletta, mutta joihin oli lisätty eri määriä piitä (0.05 %, 0.1 % ja 0.2 %). Valmistuksen jälkeen tutkittiin niiden hankausominaisuuksia, hankauksen seurauksena syntyneiden partikkelien kokoa sekä metalli-ionien liukenemista yksiprosenttiseen maitohappoliuokseen. Hankauskokeissa syntynyt massahävikki kasvoi lineaarisesti pin-on-disc -kokeen jousivoimaa kasvatettaessa ja oli selkeästi suurempaa beeta-titaaniseoksilla kuin seostamattomalla titaanilla tai vertailussa olleilla alfa + beeta -titaaniseoksilla. Lisätyn piin määrä osoittautui liian pieneksi, jotta sen merkitystä olisi voitu havaita käytettävissä olevilla laitteilla. Beeta-titaaniseosten hankauskokeissa syntyi selkeästi suurempia kulumahiukkasia kuin seostamattoman titaanin, mutta niiden keskimääräistä kokoa ei pystytty mittaamaan hiukkasten hyvin suuren kokojakauman vuoksi. Hiilimonoksidikäsittely kasvatti seosten Vickers-kovuutta selkeästi ja vaikutti positiivisesti kulumiskestävyyteen. Myös metallien liukenemista yksiprosenttiseen maitohappoliuokseen todettiin tapahtuvan.Description
Supervisor
Holappa, LauriThesis advisor
Narushima, TakayukiKeywords
titanium, titaani, alloy, titaaniseos, pin-on-disc, CO, wear, eluutio, debris, partikkeli, elution, hankaus, CO