Optimierung der spanenden Bearbeitung der molybdänhaltigen Ti-Legierung TiMo15 für den Einsatz in der Medizintechnik

Einführung und Fragestellung

Die metastabile Titanlegierung TiMo15 ist ein vielversprechender Kandidat für den Einsatz als Material für medizinische Implantate. Die Legierung kann allerdings durch die Bildung von ω-Phase verspröden [1]. ω-Phasenbildung kann beispielsweise durch mechanische Bearbeitung wie Bohren oder Fräsen erzeugt werden. Dafür werden nur moderate Temperaturen im Bereich von 200 bis 400 °C benötigt [2]. Des Weiteren führen Wärmebehandlungen oder Erwärmungen im Bereich unterhalb der β-Transus-Temperatur zur Bildung von α-Phase. Da alle diese Phasen unterschiedliche mechanische und chemische Eigenschaften besitzen ist es notwendig, eine umfassende Analyse des Verhaltens aufgrund verschiedener, vorliegender Mikrostrukturen von TiMo15 im Bezug auf die mechanische Bearbeitung durchzuführen.

Ziel des Projekts

Ziel des Projekts ist es, die Einflüsse des Bohrens und Fräsens auf die mechanischen und korrosiven Eigenschaften des Werkstoffs zu untersuchen. Hierzu werden die Temperaturentwicklung in der Nähe der Bearbeitungszonen sowie eine Analyse der Querschliffe nach verschiedenen Bearbeitungen zur Charakterisierung der α- und ω-Phase durchgeführt. Zur Untersuchung der Korrosionseigenschaften werden wärmebehandelte und bearbeitet Teile hauptsächlich mittels elektrochemischer Methoden und Auslagerungstests untersucht. Dadurch kann der Einfluss verschiedener Phasen durch die Variation von Elektrolyten festgestellt werden. Des Weiteren sollen Messungen mittels elektrochemischer Mikrozelle einen Vergleich der Korrosionsbeständigkeit verschiedener, thermisch beanspruchter Flächen ermöglichen. Zum Abschluss des Projekts sollen elektrochemische Rasterkraftmikroskop Messungen Aufschluss über das detaillierte Korrosionsverhalten einzelner Phasen in verschiedenen Medien geben.

Erste Ergebnisse

TiMo15 Proben mit reinem β-Gefüge (wärmebehandelt bei 850 °C für 1 Stunde, dann Wasser abgeschreckt) wurden elektrochemisch getestet. Bei Stromdichte-Potential-Messungen zeigen die Proben eine herausragende Beständigkeit in Medien wie 1,5 gew% NaCl, 1M NaCl + 0,1 M Na₂SO₄, 2 und 5 M HCl, 0.5 und 1M H₂SO₄ sowie fluoridhaltigen Medien (1000 und 2000 ppm).

Die untersuchten Legierungen zeigen eine hohe Korrosionsbeständigkeit. In allen Medien bis auf die fluoridhaltigen Medien zeigt sich ein passives Verhalten. Dort ist lediglich ein Oxidwachstum nach innen zu beobachten, wie dies bei Titan, das ein sogenanntes Ventilmetall ist, typisch ist [3]. In 1000 ppm Fluorid zeigt sich ein Aktivpeak, der auf den Angriff des Passivfilms hindeutet. Dies ist bei Titanlegierungen bekannt [4]. Trotz allem passiviert die Legierung bei höheren Potentialen, wenn auch mit deutlich höheren Passivstromdichten als beispielsweise bei H₂SO₄. Nur in 2000 ppm Fluorid zeigt die Legierung ein aktives Verhalten, also keinen aktiv-passiv-Übergang und erreicht die limitierende Stromdichte von 500 µAcm^-2 innerhalb kurzer Zeit (500 µAcm^-2 wurden als Grenzstromdichte gewählt).

Zukünftige Arbeiten

Zukünftige Arbeiten sollen die Resultate der rein β-Gefüge mit solchen vergleichen, bei denen durch Wärmebehandlung α-Phase (z. B. 700 °C, 8 Stunden) oder ω-Phase erzeugt wurde. Auf den mehrphasigen Materialien sollen Messungen der lokalen Korrosionseigenschaften stattfinden, insbesondere mittels Mikrozelle oder durch lokale Techniken wie Cyclovoltammetrie.

Literatur

[1] W. F. Ho, "Effect of Omega-Phase on Mechanical Properties of Ti-Mo Alloys for Biomedical Applications", Journal of Medical and Biological, 28, 1 (2008), 47 - 57

[2] B. Hickman, The Formation of Omega Phase in Titanium and Zirconium Alloys: A Review, Journal of Materials Science, Vol. 4 (1969), 554 - 563

[3] X. H. Min et al., "Effects of alpha phase precipitation on crevice corrosion and tensile strength in Ti-15Mo alloy", Materials Science and Engineering A, 527 (2010), 1480 - 1488

[4] N. Schiff et al. "Influence of Fluoride Content and pH on the Corrosion resistance of Titanium and its Alloys", Biomaterials. 23 (2002), 1995-2002

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