Processing of porous titanium niobium alloys for biomedical applications

Abstract

Bu çalıĢmada, biyomedikal kemik implant uygulamaları için gözeneklilikleri %43-68 aralığında olan Ti74Nb26 alaĢımlarını üretmek için saf Ti, saf Nb ve küresel Mg tozları kullanılmıĢtır. Gözenekli numuneleri üretmek için ilk kez sıcak presleme iĢlemi ile boĢluk oluĢturucu metot birlikte kullanılmıĢtır. Öncelikle, Ti, Nb ve farklı miktarda Mg tozları (%40, %50, %60 ve %70, hacimce) 15 dakika süre ile karıĢtırılmıĢtır. Daha sonra toz karıĢımları, iç çapı 15 mm olan içi boĢ silindirik grafit kalıplara doldurulmuĢ ve 10 mm yüksekliğinde numuneler üretmek için 50 MPa sabit basınç altında Mg'nin erimesini (650 °C) önlemek için 600 °C'de 1 saat süre ile sıcak presleme iĢlemine tabi tutulmuĢtur. Oksidasyonu önlemek için üretim sırasında saf argon gazı kullanılmıĢtır. Sıcak presleme iĢleminden sonra numuneler dikey bir fırında 1200 °C‟de 4 saat boyunca inört argon gazı atmosferi altında sinterlenmiĢtir. Sinterleme sırasında eĢzamanlı olarak Mg da (1090 °C) buharlaĢtırılmıĢ ve numunelerden uzaklaĢtırılarak makro gözenekler oluĢturulmuĢtur. X-IĢını Kırınımı ve Taramalı Elektron Mikroskobu incelemeleri, tüm numunelerin mikroyapısında ana faz olan β fazının yanı sıra az miktarda α fazı ve saf Nb‟un bulunduğunu göstermiĢtir. Üretilen gözenekli alaĢımların mekanik özelliklerinin süngerimsi kemik implantasyonu uygulamaları için yeterli iken, yoğun (kortikal) kemik implantasyonları için uygun olmadıkları sonucuna ulaĢılmıĢtır. Verimsiz sıcak presleme ve yetersiz sinterleme sıcaklığının bir sonucu olarak oluĢan mikro gözeneklerin düĢük mekanik özelliklere neden olduğu görülmüĢtür.

In this study, pure Ti, pure Nb and spherical Mg elemental powders were used to produce Ti74Nb26 alloys having porosities in the range of 43-68% for biomedical bone replacement applications. Space holder technique combined with hot pressing was used to fabricate porous specimens for the first time. Firstly, Ti, Nb and different amount of Mg powders (40%, 50%, 60% and 70% by vol.) were mixed by hand for 15min. Mixed powders were then poured into hollow cylindrical graphite dies with inner diameter of 15mm and hot pressed at 600ºC for 1h to prevent melting of Mg (650°C) under a constant pressure of 50MPa to produce samples with a height of 10 mm and argon gas was used during production to prevent oxidation. After hot press samples were sintered in a vertical furnace at 1200°C for 4h under flowing inert argon gas atmosphere. During sintering Mg also (Mg boiling point is 1090°C) was evaporated and removed from the samples and accordingly macro-pores were formed. X-Ray Diffraction and Scanning Electron Microscopy investigations showed that β phase was the main phase in the microstructure of all the samples. A small amount of α and pure Nb were also observed. Mechanical properties of the porous specimens were sufficient for cancellous bone replacement applications whereas not suitable for the cortical bone replacements. Undesired micro-pores formed as a result of inefficient hot pressing and inadequate sintering temperature caused poor mechanical properties.