TYTANOWE ODLEWY PRECYZYJNE W ZASTOSOWANIU NA IMPLANTY - WPROWADZENIE

Transkrypt

1 122/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN TYTANOWE ODLEWY PRECYZYJNE W ZASTOSOWANIU NA IMPLANTY - WPROWADZENIE D. MYSZKA 1, J. MODZELEWSKI 2, M. LEŚNIWSKI 3, A. KARWIŃSKI 4 1,2 Politechnika Warszawska, Zakład Odlewnictwa, ul. Narbutta 85, Warszawa 3,4 Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, Kraków STRESZCZENIE Odlewanie precyzyjne stopów tytanu jest znaną na świecie metodą uzyskiwania skomplikowanych kształtów odpowiedzialnych elementów konstrukcyjnych. Stwarza to możliwości zastosowania takich wyrobów na implanty organizmu ludzkiego. Postępujący rozwój technologii odlewania precyzyjnego sugeruje możliwość wytwarzania implantów odlewanych nie tylko odtwarzających pożądaną geometrię, ale z wytworzeniem na powierzchni wyrobu określonych warstw wierzchnich. Keywords: titanium investment casting, implants, microstructure. 1. ZASTOSOWANIE TYTANU I JEGO STOPÓW Gęstość tytanu zależna jest od odmiany alotropowej ( α lub β) i czystości. Zmienia się ona od 4,3 do 4,5 g/cm 3. Pod wpływem przeróbki plastycznej na zimno możemy bardzo szybko otrzymać umocnienie tytanu. Tytan i jego stopy w porównaniu z innymi materiałami konstrukcyjnymi, wyróżniają się dużą wytrzymałością względną (R m /δ) w szerokim zakresie temperatury. Ich mocną stroną jest także bardzo dobra odporność na korozję chemiczną w szerokim zakresie stężeń. Tytan jest pierwiastkiem całkowicie odpornym na roztwory chlorków: NaCl, FeCl 3, ZnCl 2, CuCl 2, BaCl 2, NH 4 Cl, MgCl 2, a także wilgotny chlor, dwutlenek chloru, kwas podchlorawy, chlorowaną solankę, siarczki, siarczany, podchloryny sodu, kwas azotowy, roztopioną siarkę, siarkowodór, dwutlenek siarki, amoniak, nadtlenek wodoru a także na działanie wody morskiej. Tytan i jego stopy są też odporne na korozję naprężeniową, wżerową oraz międzykrystaliczną. Jest to pierwiastek, który posiada wysoką granicę plastyczności zbliżoną do wytrzymałości na rozciąganie. Pewnym utrudnieniem w procesach wytwarzania i przetwarzania tytanu jest reaktywność chemiczna z gazami atmosferycznymi ( tlen, azot, 1 dr inż. Dawid Myszka, myszkadawid@wp.pl 2 stud. Jarosław Modzelewski 3 mgr inż. Marek Leśniewski 4 dr inż. Aleksander Karwiński 237

2 wodór) już w temperaturze powyżej 120 C. Dlatego też w procesach tych w większości przypadków stosuje się atmosfery ochronne. Ze względu na swoją odporność na korozję tytan i jego stopy znalazły szerokie zastosowanie w budowie maszyn i aparatury chemicznej. Materiał ten przedłuża trwałość maszyn dzięki czemu zmniejszają się straty związane z ewentualnymi naprawami, a co za tym idzie zwraca się koszt poniesiony na zakup owych maszyn bądź aparatury. Stopy tytanu stosuje się także w przemyśle lotniczym. Jedną z podstawowych technik wytwarzania elementów ze stopów tytanu jest odlewanie i obróbka cieplna odlewów. Wykorzystując tę technologię rozpoczęto wytwarzanie części silników turboodrzutowych pracujących w podwyższonej temperaturze (wirniki turbosprężarek, zawory). Stopy tytanu znalazły zastosowanie również w przemyśle samochodowym. Ze względu na swoją niewielką gęstość stopy tytanu pozwoliły zredukować wagę mechanizmu rozrządu zaworowego (zawory odlewane ze stopów tytanu). Stopy te mają perspektywiczne znaczenie dla medycyny szczególnie w alloplastyce. Niewielki ciężar właściwy tych stopów jest z pewnością wielkim atutem, gdyż zwiększa się komfort użytkowania endoprotez, ale głównym jest wysoka biozgodność tytanu adaptowanego w organizmie ludzkim. Dlatego też tytan techniczny lub jego stopy wykorzystuje się także w kardiochirurgii, kardiologii zabiegowej jak również w protetyce stomatologicznej. Tytan, charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością korozyjną w środowisku płynów ustrojowych, pomimo skłonności przyłączania grup wodorotlenowych, protein i jonów chloru. Dzięki wysokiej odporności korozyjnej, dobrej osteointegracji i biotolerancji tytan wykorzystywany jest do wyrobu implantów zębowych, mostów dentystycznych lub w konstrukcjach zastawek serca, rozruszników i defibrylatorów. 2. PRZYGOTOWANIE CIEKŁEGO METALU Najpoważniejszym problemem topienia Ti i jego stopów stanowi materiał tygla. Powodem jest nadzwyczaj silne reagowanie ciekłego metalu ze wszystkimi znanymi dotychczas materiałami tygli ogniotrwałych, w tym również specjalnie odpornych materiałów jak tlenki Th, Ca czy siarczki. Stosunkowo największą odporność mają tlenki metali ziem rzadkich, wykazujące niedobór tlenu. Najdogodniej wytapianie prowadzi się w chłodzonych wodą tyglach miedzianych, szczególnie przy wykorzystaniu tzw. tygla garnisażowego, otrzymywanego z topionego materiału przy określonej intensywności odprowadzania ciepła (normalnie zostaje utworzony w kokili miedzianej intensywnie chłodzonej np. wodą). Metody topienia tytanu można przedstawić nastepująco: topienie indukcyjne w tyglu grafitowym zwykłym, warstwowym, segmentowym i wannowym topienie lewitacyjne (mało przydatne w skali technicznej) topienie w piecach elektronowych (elektronowiązkowych) topienie w piecach łukowych, w tym również plazmowych ze stałą i topliwą elektrodą. topienie ze stosowaniem elektrody topliwej (sprasowana gąbka tytanowa) jest rozwinięte na skalę przemysłową. 238

3 3. ODLEWY PRECYZYJNE Z TYTANU I JEGO STOPÓW Wykonanie odlewów ze stopów tytanu stwarza znaczne trudności z powodu wysokiej temp. topnienia, dużej rozpuszczalności tlenu i azotu w ciekłym tytanie oraz dużej lepkości stopów w temperaturze odlewania. Przy zachowaniu ustalonych warunków możliwe jest otrzymanie odlewów o wysokiej jakości. Z tytanu i jego stopów wykonuje się odlewy kształtowe w formach uzyskiwanych ze skrawanego grafitu, precyzyjnych oraz zagęszczanych grafitowych ze spoiwem organicznym, jest również możliwe odlewanie do form metalowych. Formy do otrzymywania odlewów kształtowych są uzyskiwane z zagęszczonego grafitu ze spoiwem naturalnym, z wodorozpuszczalnym spoiwem zawierającym chlorki lub ze spoiwem w postaci żywicy syntetycznej, utwardzanej na zimno lub na gorąco. Odlewy precyzyjne wykonuje się w formach skorupowych samonośnych, grafitowo żywicznych, opartych na tlenkowo-ceramicznej bazie ze spoiwami utleniającymi lub podobnych, z zewnętrzną powłoką metaliczną i spoiwami utleniającymi zawierającymi metale. Do sporządzania odlewów precyzyjnych można też stosować formy warstwowe sporządzone z udziałem bedeleitu (ZrO 2 ) i spoiw, w których substancję wiążącą stanowią wodne roztwory koloidalne np. tlenku itrowego Y 2 O 3 bądź tlenku cyrkonowego ZrO 2. Tytan i jego stopy cechują się wysoką temperaturą topnienia i odlewania. Duża aktywność chemiczna ciekłego metalu jest przyczyną rozpuszczania form odlewniczych, co połączone jest z reakcją na granicy faz, jak również penetracją metalu w głąb formy odlewniczej. Jedną z wad odlewniczych tytanu i jego stopów jest ich zdolność do rozpuszczania większości materiałów stosowanych na tygle i formy oraz reakcji z nimi (rys.1). Ciekły tytan reaguje z materiałem formy odlewniczej powodując przejście tlenu do ciekłego metalu. Na powierzchni tego metalu powstaje wadliwa warstwa (rys.2). Dlatego też w odlewach precyzyjnych usuniecie tej warstwy wymaga uwzględnienia pewnych naddatków na obróbkę. Warstwa wadliwa usuwana jest na drodze obróbki chemicznej lub mechanicznej. Powstawanie warstwy wadliwej jest w szczególności spowodowane silnym powinowactwem tytanu do tlenu, który znajdować się może w topionym metalu lub powstaje w wyniku reakcji na granicy faz pomiędzy ciekłym metalem a materiałem formy. W odlewach precyzyjnych często spotykaną wadą jest również porowatość gazowa (rys.3). Jest ona spowodowana sposobem wypełniania formy ciekłym metalem, a dokładnie dużymi prędkościami odlewania w technice odlewania odśrodkowego. Dlatego również wszystkie odlewy ze stopów Ti podlegają obróbce cieplnej, a mianowicie: wyżarzaniu odprężającemu, w próżni lub atmosferze argonu, po którym następuje chłodzenie z piecem oraz gorącemu dogęszczaniu izostatycznemu (HIP). 4. IMPLANTY TYTANOWE Konieczność zaspokojenia potrzeb i wymagań materiałowych jakie obecnie stawia medycyna, bezpośrednio wpłynęła na dynamiczny rozwój inżynierii biomateriałów. Dla bezpiecznego, długotrwałego użytkowania w organizmie opracowano biomateriały metalowe nowej generacji o odpowiedniej odporności na korozję biologiczną. Wśród nich do produkcji wyrobów medycznych obok stali implantacyjnych i stopów 239

4 na osnowie kobaltu stosowany jest tytan, i niektóre jego stopy oraz unikalne stopy NiTi z pamięcią kształtu. a) b) c) Rys. 1. Odlew z czystego technicznie tytanu z wydzieleniami TiC; a)lm; b) SEM; c) EDS Fig. 1. Technical pure titanium casting with TiC precipitations; a)lm; b) SEM; c) EDS a) b) Rys. 2. Liniowa analiza składu chemicznego warstwy wierzchniej odlewu z Ti; a) SEM; b) EDS Fig. 2. Chemical composition line analysis of Ti casting surface layer; a) SEM; b) EDS Rys. 3. Mikroporowatość widoczna pod i na powierzchni odlewu tytanowego Fig. 3. Microporosity under and on the surface of titanium casting Podczas wytwarzania półfabrykatów i implantów w technologii tytanu i stopów tytanowych, konieczne jest zabezpieczenie ich przed utlenianiem w procesach wytapia- 240

5 nia, przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej. W atmosferze powietrza już w temperaturze pokojowej na powierzchni tych metali tworzy się pasywna powłoka tlenkowa w postaci rutylu TiO 2, która stanowi barierę zabezpieczającą przed dalszym utlenianiem. Pożądana, biokompatybilna powłoka rutylowa na implantach wykonywanych z tych materiałów wytwarzana jest poprzez pasywowanie ich w parze wodnej, w autoklawach podczas sterylizacji. Dobre własności mechaniczne, odporność korozyjna i tolerancja w środowisku tkankowym tytanu i niektórych stopów tytanowych zadecydowały o zaliczeniu ich do biomateriałów metalowych o dużym znaczeniu dla medycyny. Najbardziej rozpowszechniony w zastosowaniach jest stop dwufazowy Ti-6Al-4V. Stop ten dzięki wysokiej odporności korozyjnej, dobrej wytrzymałości względnej i biotolerancji wykorzystywany jest również jako biomateriał metaliczny do produkcji endoprotez stawów, zewnętrznych stabilizatorów, konstrukcji protez i sztucznych kończyn, narzędzi chirurgicznych oraz części urządzeń i aparatury medycznej. Obecnie prowadzone są badania nowych stopów tytanu nie zawierających wanadu, w których składzie występują dodatki metali o dobrej tolerancji biologicznej, np. stop o składzie chemicznym Ti-6Al-7Nb, w którym wanad zastąpiono niobem oraz stopy Ti-6Al-Nb- Ta i Ti5Al-2,5 Fe. W latach siedemdziesiątych podjęto pierwsze próby zastosowania stopów NiTi w medycynie i zaczęto je wykorzystywać jako łuki ortodontyczne. Obecnie ze względu na pożądane właściwości użytkowe, biokompatybilność i wysoką odporność korozyjną stanowią nowoczesny biomateriał do produkcji różnych wyrobów medycznych. Najbardziej rozpowszechnione w różnych zastosowaniach medycznych są łuki ortodontyczne, filtry Simona, stenty przywracających drożność naczyń krwionośnych, jelit, przewodów żółciowych i dróg moczowych oraz różnego typu klamry, spinki, kształtki i płytki do zespoleń złamań kości. 5. PODSUMOWANIE Otrzymywanie implantów ze stopów tytanu ma już wieloletnią tradycję. Elementy z tego rodzaju biomateriału znajdują aplikacje w chirurgii kostnej, szczękowotwarzowej, kardiologicznej i protetyce stomatologicznej. Tytan wyróżnia się dobrą odpornością korozyjną i biotolerancją, ma jednak mały moduł sprężystości i niskie własności mechaniczne, które nie sprzyjają wytwarzaniu implantów poddawanych wysokim obciążeniom dlatego w praktyce zwykle stosowane są jego stopy. Stopy tytanu stosowane do tej pory to głównie materiały obrabiane plastycznie. Jednak potrzeba wytworzenia dowolnie skomplikowanego kształtu stawia przed procesem deformacji plastycznej czy obróbką skrawaniem zadanie nieraz niemożliwe do wykonania, bądź zbyt kosztowne. W tym wypadku pomocne będą najnowsze techniki odlewnicze. Okazuje się, iż z powodzeniem dla odlewanych stopów tytanu, poddanych odpowiednim zabiegom (HIP, obróbka cieplna, itp.), uzyskuje się własności porównywalne z tymi, po zastosowaniu obróbki plastycznej. Również umiejętność kształtowania powierzchni odlewów ze stopów tytanu poprzez nadanie im określonej geometrii oraz właściwości bezpośrednio w formie odlewniczej, będzie decydowała o perspektywiczności odlewnia precyzyjnego. 241

6 Z tych też powodów w Instytucie Odlewnictwa oraz na Politechnice Warszawskiej podjęto prace zmierzające do uzyskania odlewów precyzyjnych z tytanu i jego stopów z przeznaczeniem na implanty. Pierwsze próby wykonania odlewu panewki stawu biodrowego przyniosły oczekiwany efekt w postaci uformowanego wyrobu (rys.4), lecz analiza tego elementu i jego odpowiedzialność wskazuje na konieczność dalszych badań i dopracowanie technologii. a) b) Rys. 4. Panewka stawu biodrowego: a) odlew tytanowy; b) skrawana panewka stalowa Fig. 4. Pond haunch bearing: a) titanium casting; b) machined steel bearing LITERATURA [1] Jan Marciniak: Biomateriały, Gliwice 2002, Wyd. Politechniki Śląskiej. [2] Wojciech Szkliniarz: Wytwarzanie stopów na osnowie faz międzymetalicznych z układu Ti-Al., materiały konf. Tytan i jego stopy 2003; [3] Wojciech Szkliniarz: Dwufazowe stopy tytanu- od klasycznych do intermetalików, Inżynieria Materiałowa XXIV, ; [4] R.R. Boyer: An overview on the use of titanium in the aerospace industry, materials Science and Engineering A213, 1996, ; [5] Ireneusz Dziopa: Analiza i weryfikacja doświadczalna możliwości rozdrobnienia stopu tytanu Ti-6Al-4V na drodze obróbki cieplnej, praca dyplomowa, Politechnika Warszawska, 2001; [6] Jerzy Stachańczyk, Jarosław Piekło: Modelowanie numeryczne zjawisk fizykochemicznych zmian stężenia tlenu w warstwie powierzchniowej odlewu tytanowego endoprotezy stawu biodrowego w czasie krzepnięcia, Biuletyn Instytutu Odlewnictwa, 3/99, INTRODUCTION TO TITANIUM INVESTMENT CASTINGS AS IMPLANTS USE SUMMARY Titanium investment casting is a well known method of producing different surface geometry of responsibility construction elements as compressor discs and blades, aircraft spings, etc. That is why, it is possible of use such castings as implants of human body. Quick propagation of investment casting technology suggest implants modeling not only with different surface geometry, but join with creating precisions surface layers directly on castings. Recenzował: Prof. Mieczysław Kaczorowski 242