En tant que matériau fonctionnel important, le titane métal, avec ses avantages tels que la faible densité, la force spécifique élevée et une excellente résistance à la corrosion, est largement utilisé dans les applications aérospatiales, énergétiques et médicales. Le développement des alliages médicaux en titane et en titane peut être à peu près divisé en trois périodes: la première période était représentée par le titane pur et le TI-6AL-4V; La deuxième période était + les alliages, représentés par TI-5AL-2.5FE et TI-6AL-7NB; et la troisième période s'est concentrée sur le développement d'alliages de titane de type avec une bioperformance améliorée et un module élastique inférieur. L'application de nouveaux matériaux en alliage en titane sera la direction courant actuelle du développement des dispositifs médicaux.
Des recherches sur les alliages médicaux en titane dans mon pays ont commencé dans les années 1970, avec le développement de TI-2,5AL-2.5MO-2.5ZR (TAMZ) par le Northwest Research Institute of Nonferreux Metals. Dans les années 1990, les matériaux TI-6AL-4V, TI-AL-2.5FE et TI-6AL-7NB, avec des droits de propriété intellectuelle indépendants, ont ensuite été développés. L'Académie chinoise des sciences a également développé un nouvel alliage -titane, TI-24NB-4ZR-7.6SN. Le développement actuel des alliages en titane dans mon pays se concentre sur les nouveaux matériaux percés et l'application active des alliages de titane.
Propriétés de corrosion en titane
Le titane est un métal thermodynamiquement instable avec un potentiel de passivation relativement négatif, avec un potentiel d'électrode standard de -1,63V. Par conséquent, il forme facilement un film d'oxyde passivateur dans l'atmosphère et les solutions aqueuses, entraînant une excellente résistance à la corrosion.
Résistance à la corrosion en titane dans différents supports
L'étude de la résistance à la corrosion des matériaux médicaux est cruciale. D'une part, la pénétration de certains ions métalliques ou des produits de corrosion des matériaux implantés dans les tissus biologiques peut déclencher divers degrés de réactions physiologiques. D'un autre côté, la présence de liquides corporels peut dégrader gravement les performances de certains matériaux, entraînant des dommages rapides ou même une défaillance. L'environnement humain relativement complexe est sujet à la dissolution des oligo-éléments, modifiant la stabilité de la couche d'oxyde. Une légère friction peut endommager le film passif formé sur la surface du titane à des degrés divers. Par exemple, dans un environnement déficient en oxygène, la couche d'oxyde devient moins stable et les couches d'oxyde endommagées ne peuvent pas être réparées ou remplacées, ce qui la rend plus sensible à la corrosion. Cette situation est presque inévitable pendant le mouvement humain répétitif et l'utilisation de l'équipement. La déformation plastique modifie l'état structurel du matériau, affectant ainsi sa résistance à la corrosion. Différents degrés de déformation plastique ont des effets significativement différents sur la résistance à la corrosion du matériau. Pendant la déformation plastique, la concentration de stress interne crée des défauts aux interfaces et à l'intérieur des grains, affaiblissant ainsi la résistance à la corrosion du matériau.
Mécanisme de corrosion en titane
Le titane est un élément de transition du groupe IVB avec une nature chimique relativement active et une forte affinité pour l'oxygène. Dans tout milieu contenant de l'oxygène, un film passif dense se forme facilement sur la surface du titane. Ce film est extrêmement mince, mesurant généralement quelques à des dizaines de nanomètres d'épaisseur. La présence d'un film passif en alliage en titane réduit la surface disponible pour la dissolution active, ralentissant le taux de dissolution et résistant ainsi les dommages causés par la dissolution. De plus, le film passif est auto-réparateur; Lorsqu'il est endommagé, il forme rapidement un nouveau film de protection. Par conséquent, le titane présente une excellente résistance à la corrosion. La corrosion du titane métal implantée dans un organisme vivant peut être classée comme piqûres, corrosion de stress, corrosion des crevasses, corrosion galvanique et corrosion.
Analyse de la corrosion du stress
La corrosion du stress fait référence au phénomène que les métaux se fissurent lorsque la contrainte de traction et la corrosion agissent simultanément. Le processus général est: l'action de la contrainte de traction fait que le film de protection formé sur la surface métallique commence à se fissurer, formant une source de fissure pour les piqûres ou la corrosion des crevasses, qui se développe en profondeur. Dans le même temps, l'action de la contrainte de traction peut faire en sorte que le film protecteur se fissure à plusieurs reprises, formant des fissures perpendiculaires à la contrainte de traction, et même entraînant une fracture.
1. Facteurs affectant la corrosion du stress des alliages de titane
L'occurrence de SCC (fissure de corrosion de contrainte) dans les alliages de titane est le résultat de l'action combinée de trois facteurs: environnement, stress et matériau. SCC est très sélectif. Tant que l'un des trois facteurs mentionnés ci-dessus est modifié, SCC ne se produira pas.
(1) Environnement
• Médium: les alliages de titane peuvent subir un SCC sous l'action de nombreux milieux tels que des solutions aqueuses, de l'eau distillée, des solutions organiques et des sels chauds. Le mécanisme SCC est différent dans différents milieux.
• Valeur de pH: il existe encore des différences considérables dans l'effet de la valeur du pH sur le SCC des alliages de titane. D'une manière générale, à mesure que la valeur du pH augmente, la sensibilité au SCC des alliages de titane diminue. Lorsque la valeur du pH est de 13-14, le SCC peut souvent être inhibé. Cependant, un environnement corrosif fort avec une valeur de pH de 2-3 peut même être formé dans la section avant de la fissure locale où des changements de CSC se produisent.
• Potentiel: l'influence du potentiel sur le degré de SCC est cruciale. Le système de corrosion composé de l'alliage et du milieu est différent, et son potentiel sensible au SCC est différent.
• Température: la température est l'un des facteurs importants affectant la génération de SCC dans les alliages de titane. D'une manière générale, la sensibilité au SCC augmente avec l'augmentation de la température. Cependant, la sensibilité à la température des matériaux implantée dans le corps humain est limitée.
• Concentration de Cl ion: plus la concentration de Cl-Cl dans la solution est élevée, plus sa sensibilité SCC est élevée.
(2) stress
Les accidents de SCC causés par le stress résiduel généré dans l'alliage pendant le travail à froid, le forgeage, le soudage, le traitement thermique ou l'assemblage représentent 40% du total des accidents de SCC. De plus, la contrainte externe générée pendant les travaux ou la contrainte externe causée par l'effet de volume des produits de corrosion peut également provoquer la survenue de SCC.
En résumé, la performance de corrosion du titane médical est un facteur clé qui doit être considéré lorsqu'il est utilisé comme matériel d'implant. En comprenant profondément le mécanisme de corrosion du titane et ses performances dans différents environnements, une base scientifique peut être fournie pour la sélection et la conception de matériaux en alliage en titane médical, garantissant ainsi sa sécurité et sa fiabilité dans des applications pratiques.
La société possède des lignes de production nationales de transformation en titane, notamment:
Ligne de production de tubes en titane à imprécision d'allemand (capacité de production annuelle: 30 000 tonnes);
Ligne de roulement en feuille de titane de technologie japonaise (le plus mince à 6 μm);
Ligne d'extrusion continue de la tige de titane entièrement automatisée;
Moulin à plaque de titane et moulin à finition de titane intelligent;
Le système MES permet le contrôle numérique et la gestion de l'ensemble du processus de production, atteignant une précision dimensionnelle du produit de ± 0,01 μm.
