Ti-13Nb-13Zr टाइटेनियम मिश्र धातु का पिघलना और ढलाई: भट्टियां, क्रूसिबल और मोल्ड सिस्टम

Ti-13Nb-13Zr एक निकट-बीटा टाइटेनियम मिश्र धातु है जिसे बायोमेडिकल प्रत्यारोपण के लिए विकसित किया गया है और ASTM F1713 में निर्दिष्ट किया गया है। इसके नाइओबियम और ज़िरकोनियम संयोजन एक कम लोचदार मापांक (लगभग 74-80 GPa, कॉर्टिकल हड्डी के करीब) का उत्पादन करते हैं, संरचना से एल्यूमीनियम और वैनेडियम को खत्म करते हैं, और उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध और जैव अनुकूलता बनाए रखते हैं। इस प्रतिक्रियाशील मिश्र धातु को पिघलाना और ढालना कठिन है क्योंकि तरल अवस्था में टाइटेनियम ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, हाइड्रोजन और कार्बन के साथ तेजी से प्रतिक्रिया करता है। यह मार्गदर्शिका ध्वनि Ti-13Nb-13Zr सिल्लियां और कास्टिंग उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले पिघलने के मार्गों, क्रूसिबल सिस्टम और मोल्ड सिस्टम की व्याख्या करती है।

1. मिश्र धातु पृष्ठभूमि और सामग्री मानक

टाइटेनियम पृथ्वी की पपड़ी में नौवां सबसे प्रचुर तत्व है और एल्यूमीनियम, लोहा और मैग्नीशियम के बाद चौथा सबसे प्रचुर संरचनात्मक धातु है। Ti{3}}13Nb-13Zr निम्न {{7}मॉड्यूलस बीटा- प्रकार के मिश्रधातुओं के परिवार से संबंधित है: नाइओबियम (13.5-15.5%) बीटा चरण को स्थिर और मजबूत करता है, जबकि ज़िरकोनियम (5.5-8.5%) जैव-अनुकूलता से समझौता किए बिना ठोस-समाधान मजबूती और संक्षारण प्रतिरोध प्रदान करता है। मिश्र धातु को एएसटीएम एफ1713 (सर्जिकल प्रत्यारोपण के लिए गढ़ा बार, तार और फोर्जिंग) द्वारा कवर किया जाता है, और कूल्हे और घुटने के प्रत्यारोपण, फ्रैक्चर फिक्सेशन प्लेट और दंत घटकों के लिए कास्ट या गढ़ा रूपों का उपयोग किया जाता है। क्योंकि मिश्र धातु में कोई वैनेडियम या एल्यूमीनियम नहीं होता है, यह कुछ प्रत्यारोपण अनुप्रयोगों में Ti-6Al-4V से जुड़ी दीर्घकालिक साइटोटॉक्सिसिटी चिंताओं से बचाता है।

2. टाइटेनियम मिश्र धातुओं के लिए पिघलने की विधियाँ

तरल टाइटेनियम को कभी भी दुर्दम्य ऑक्साइड अस्तर या हवा से संपर्क नहीं करना चाहिए, इसलिए पिघलने का काम पानी के ठंडे तांबे के क्रूसिबल का उपयोग करके उच्च वैक्यूम या अक्रिय गैस (आर्गन) के तहत किया जाता है। तीन प्रमुख मार्गों का उपयोग किया जाता है:

गैर-उपभोज्य इलेक्ट्रोड चाप पिघलना: एक टंगस्टन या ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड पानी में ठंडा तांबे के चूल्हे में चार्ज को पिघला देता है; इस मार्ग का उपयोग मुख्य रूप से उपभोज्य पिघलने के लिए इलेक्ट्रोड तैयार करने के लिए किया जाता है।

वैक्यूम उपभोज्य इलेक्ट्रोड आर्क मेल्टिंग (VAR): टाइटेनियम या टाइटेनियम मिश्र धातु का एक पूर्व {{0} कॉम्पैक्ट और वेल्डेड इलेक्ट्रोड कैथोड है, और एक पानी {{1} ठंडा तांबा क्रूसिबल एनोड है। चाप इलेक्ट्रोड टिप को पिघला देता है, जो पिघले हुए पूल में टपकता है; पूल की सतह को चाप द्वारा गर्म किया जाता है, जबकि नीचे और दीवारों को जबरन ठंडा किया जाता है, जिससे नीचे की ओर ऊपर की ओर जम कर एक ध्वनि पिंड बन जाता है। VAR टाइटेनियम पिंड उत्पादन के लिए वर्कहॉर्स है।

वैक्यूम उपभोज्य इलेक्ट्रोड संघनन {{0}शेल पिघलना: VAR भट्टी से विकसित, यह भट्टी पिघलती है और केन्द्रापसारक रूप से आकार की कास्टिंग डालती है। पानी के ठंडे तांबे के क्रूसिबल और पिघले हुए धातु के बीच टाइटेनियम मिश्र धातु की एक ठोस खोपड़ी बनती है, जो एक स्व-अस्तर के रूप में कार्य करती है जो पिघले हुए क्रूसिबल संदूषण को रोकती है; डालने के बाद, शेष खोपड़ी को क्रूसिबल अस्तर के रूप में पुन: उपयोग किया जाता है।

इलेक्ट्रॉन {{0}बीम और प्लाज्मा भट्टियों का उपयोग विशेष टाइटेनियम उत्पादों के लिए भी किया जाता है, लेकिन तकनीकी और आर्थिक संकेतकों (बिजली की खपत, पिघलने की दर, लागत) पर, संघनन {{2}शेल भट्टी सहित उपभोज्य इलेक्ट्रोड आर्क भट्टी सबसे किफायती और व्यापक रूप से लागू मार्ग बनी हुई है।

3. कास्टिंग मोल्ड सिस्टम

टाइटेनियम की ढलाई के लिए बहुत अधिक अपवर्तकता वाली मोल्ड सामग्री की आवश्यकता होती है, और डालने का काम उच्च वैक्यूम या अक्रिय गैस के तहत किया जाना चाहिए, जिसे अक्सर पतले वर्गों को भरने के लिए केन्द्रापसारक बल द्वारा सहायता प्रदान की जाती है। मोल्ड सामग्री के आधार पर, तीन प्रणालियाँ प्रतिष्ठित हैं:

तीन शेल प्रणालियों से कास्टिंग बहुत समान रासायनिक संरचना और यांत्रिक गुणों को दिखाती है, लेकिन सतह की गुणवत्ता में काफी भिन्नता होती है: ऑक्साइड {{0} सिरेमिक और दुर्दम्य {{1} धातु प्रणाली ग्रेफाइट प्रणाली की तुलना में काफी कम सिकुड़ती है, जिससे कास्ट भाग पर बेहतर आयामी सटीकता मिलती है।

4. पिघलने और ढलाई में गुणवत्ता संबंधी विचार

क्योंकि टाइटेनियम एक अत्यंत प्रतिक्रियाशील धातु है, संदूषण नियंत्रण गुणवत्ता को बढ़ाता है। पिघल को हर स्तर पर हवा से बचाया जाना चाहिए; इलेक्ट्रोड और फीडस्टॉक साफ और सूखा होना चाहिए; और वीएआर भट्टियों में वैक्यूम स्तर को इतना कम रखा जाता है कि मिश्रधातु तत्वों के अत्यधिक वाष्पीकरण के बिना अस्थिर अशुद्धियों को दूर किया जा सके। कास्टिंग गुणवत्ता को रासायनिक विश्लेषण (ऑक्सीजन पर विशेष ध्यान देने के साथ, जो विनिर्देश के भीतर रहना चाहिए क्योंकि यह मिश्र धातु को भंगुर कर देता है), आंतरिक सरंध्रता और सिकुड़न के लिए रेडियोग्राफी या कंप्यूटेड टोमोग्राफी, सतह दोषों के लिए डाई प्रवेश निरीक्षण और कास्ट टेस्ट कूपन के यांत्रिक परीक्षण द्वारा सत्यापित किया जाता है। इम्प्लांट के लिए -ग्रेड सामग्री, एएसटीएम एफ1713 के अनुसार सफाई और समावेशन नियंत्रण और संबंधित आईएसओ 5832 आवश्यकताएं अनिवार्य हैं, और प्रत्येक हीट को पूर्ण ट्रैसेबिलिटी के साथ प्रलेखित किया जाता है।

5. Ti-13Nb-13Zr के अनुप्रयोग

आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण: कूल्हे के तने, घुटने के घटक और फ्रैक्चर फिक्सेशन प्लेटें जो कम लोचदार मापांक और जैव-अनुकूलता से लाभान्वित होते हैं।

दंत प्रत्यारोपण और एबटमेंट्स, जहां मौखिक वातावरण में ऑसियोइंटीग्रेशन और संक्षारण प्रतिरोध महत्वपूर्ण हैं।

कार्डियोवास्कुलर और सर्जिकल उपकरण जहां गैर {{0}चुंबकीय, संक्षारण {{1}प्रतिरोधी, एमआरआई {{2}संगत सामग्री की आवश्यकता होती है।

अनुसंधान और विशेष इंजीनियरिंग जहां एल्यूमीनियम और वैनेडियम की अनुपस्थिति एक विशिष्ट आवश्यकता है।

इम्प्लांट निर्माताओं के लिए, Ti-13Nb-13Zr को आम तौर पर ASTM F1713 के अनुसार प्रमाणित गढ़ा बार या तार के रूप में खरीदा जाता है; कास्टिंग का उपयोग कस्टम और जटिल ज्यामिति के लिए किया जाता है, इसके बाद आंतरिक छिद्र को बंद करने और माइक्रोस्ट्रक्चर को अनुकूलित करने के लिए गर्म आइसोस्टैटिक दबाव (एचआईपी) और गर्मी उपचार किया जाता है।

6. अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

Q1: Ti-13Nb-13Zr को केवल वैक्यूम या अक्रिय गैस के तहत ही क्यों पिघलाया जाता है?

तरल टाइटेनियम ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, हाइड्रोजन और कार्बन के साथ तेजी से प्रतिक्रिया करता है, जो मिश्र धातु को नष्ट कर देगा और समावेशन पैदा करेगा। वैक्यूम या उच्च शुद्धता वाला आर्गन संरक्षण, पानी से ठंडे तांबे के क्रूसिबल के साथ मिलकर, संदूषण को रोकता है।

Q2: टाइटेनियम के पिघलने में संघनन कोश क्या होता है?

संघनन खोल (खोपड़ी) उसी टाइटेनियम मिश्र धातु की एक ठोस परत है जो पानी के ठंडे तांबे के क्रूसिबल और पिघले हुए पूल के बीच जम जाती है। यह क्रूसिबल अस्तर के रूप में कार्य करता है, इसलिए पिघला हुआ तांबे को कभी नहीं छूता है, जिससे संदूषण से बचा जा सकता है।

Q3: कौन सा मोल्ड सिस्टम सर्वोत्तम आयामी सटीकता देता है?

ऑक्साइड सिरेमिक शेल और रिफ्रैक्टरी {{0}मेटल फेस {{1}लेयर शेल सिस्टम ग्रेफाइट शेल की तुलना में कम सिकुड़ते हैं और इसलिए उच्च लागत पर बेहतर आयामी सटीकता और सतह की गुणवत्ता प्रदान करते हैं।

Q4: Ti-13Nb-13Zr का लोचदार मापांक क्या है?

गढ़ी हुई स्थिति में लगभग 74-80 GPa, जो Ti-6Al-4V (लगभग 110-114 GPa) की तुलना में कॉर्टिकल हड्डी (लगभग 10-30 GPa) के करीब है, जो प्रत्यारोपण में तनाव ढाल को कम करता है।

Q5: क्या Ti-13Nb-13Zr में एल्यूमीनियम या वैनेडियम होता है?

नहीं, इसकी नाममात्र संरचना 13.5-15.5 % नाइओबियम और 5.5-8.5 % ज़िरकोनियम के साथ शेष टाइटेनियम है, जो मुख्य कारण है कि इसे प्रत्यारोपण अनुप्रयोगों के लिए पसंद किया जाता है जहां धातु-आयन रिलीज एक चिंता का विषय है।

Q6: क्या Ti-13Nb-13Zr कास्टिंग को ताप उपचारित किया जा सकता है?

हाँ। बीटा/अल्फा अनुपात और ताकत को समायोजित करने के लिए समाधान उपचार और उम्र बढ़ने का उपयोग किया जाता है, और अंतिम मशीनिंग से पहले आंतरिक छिद्र को खत्म करने के लिए गर्म आइसोस्टैटिक दबाव आमतौर पर कास्टिंग पर लागू किया जाता है।