CHƯƠNG 1. Tổng quan về hợp kim Ti-6Al-4V 1. Hợp kim Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V ký hiệu là UNS R56400, còn được gọi tắt là TC4 hoặc Ti64 [1]. Ti- 6Al-4V là một hợp kim titan có pha α và β, 6 wt.% nhôm dùng để ổn định pha α (có cấu trúc tinh thể là hcp) và 4 wt.% vanađi dùng để ổn định pha β (có cấu trúc tinh thể là bcc).
Titan là kim loại khá phổ biến trong lớp vỏ Trái đất, xuất hiện trong khoáng sản (quặng), chủ yếu ở dạng Rutil (TiO2) và Ilmenit (FeO. Các quặng này được phân bố rộng rãi trong vỏ Trái đất, nó cũng được tìm thấy trong hầu hết các sinh vật sống, đá và đất. Nguyên tố titan được phát hiện ở Anh bởi Reverend William Gregor vào năm 1790, nhưng đến năm 1795 Klaproth mới đặt tên cho nó là Titan và lần đầu tiên được tinh chế tại Hoa Kỳ bởi Hunter tại Công ty General Electric vào năm 1906. Trong những năm 1950, nghiên cứu về hợp kim Ti-6Al-4V đã được phát triển và sử dụng trong quân sự tại Watertown Arsenal, nơi mà sau này trở thành một phần của phòng nghiên cứu quân sự.
Việc thêm 6 wt.% Al và 4 wt.% V vào titan đã tạo nên một hợp kim đặc biệt đó là Ti-6Al-4V và chính điều này đã được Crucible Steel cấp bằng sáng chế vào năm 1954 [3-5]. Kể từ đó, Ti-6Al-4V là một hợp kim của titan được sử dụng phổ biến nhất, nó đã và đang được sử dụng rộng rãi cho hầu hết các bộ phận, dụng cụ trong nhiều sản phẩm công nghiệp, hàng không và đặc biệt là y sinh. (a) Tinh thể titan và (b) kim loại titan với độ tinh khiết (99,999 wt. Ti-6Al-4V có nhiều đặc tính nổi bật như tính tương thích sinh học tốt, độ bền cơ học cao, tính chất chịu nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường axít, 3 do an kiềm và nước muối, cũng như có tính đàn hồi tốt [6,7].
Hợp kim Ti-6Al-4V không độc hại và thân thiện với môi trường vì nó có nguồn gốc từ tài nguyên thiên nhiên và có thể tái chế [8]. Hơn nữa, do nhiệt độ nóng chảy khá cao nên nó có khoảng nhiệt độ hoạt động khá rộng từ -125 đến 550 °C, hệ số ma sát thấp, chống mài mòn và tính cơ học tốt. Do đó, hợp kim này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như vật liệu y sinh, hàng không, vũ trụ, ô tô, nhà máy hóa chất và các ngành công nghiệp khác [9]. Ứng dụng Hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng như vật liệu y sinh (cấy ghép sinh học như các thiết bị giả trong cơ thể người), các thành phần của máy bay, ô tô, công nghiệp hóa chất và dầu khí,… Do chúng có tính chất cơ học và hóa học tốt, cũng như độ bền nhiệt.
Ti-6Al-4V được phát triển để cân bằng các tính chất như độ bền, độ dẻo, độ mỏi và mức độ rạn nứt. Ti-6Al-4V đã được sử dụng làm vật liệu có cấu trúc quan trọng trong máy bay tiên tiến kể từ những năm 1960 [7]. Nippon Steel và Tập đoàn kim loại Sumitomo đã được cấp bằng vào năm 1985 từ Rolls- Royce và bắt đầu sản xuất thương mại hợp kim này cho động cơ của máy bay. Trong công nghiệp hàng không, Ti-6Al-4V chủ yếu được sử dụng cho khung máy bay và các bộ phận động cơ.
Trong khung máy bay, nó được sử dụng làm các vật liệu kết cấu, chẳng hạn như bu lông và các ray dưới ghế. Trong động cơ, do phạm vi hoạt động nhiệt độ an toàn nhất cho phép tới gần 300 °C, nên Ti-6Al-4V được sử dụng trong việc chế tạo cánh quạt, vỏ cánh quạt và hệ thống giảm xóc (nơi có nhiệt độ làm việc thấp hơn 300 °C) [5]. Ti-6Al-4V dùng trong (a) cánh quạt và vỏ của cánh quạt của máy bay và (b) bộ phận bên trong máy bay. 4 do an (a) (b) Hình 1.
(a) Xương đùi giả làm từ hợp kim Ti-6Al-4V và (b) hình ảnh mô phỏng khớp gối giả. Trong nha khoa, hợp kim này được dùng làm đinh, ốc, cấy ghép răng giả và niềng răng,… Trong quá khứ, cấy ghép nha khoa đã được thực hiện theo nhiều hình dạng khác nhau như giá ba chân, kim, đĩa, hình nón cắt, hình trụ và ốc vít. Hiện nay, cấy ghép nha khoa được sử dụng phổ biến nhất có dạng vít và cấu trúc như trong Hình 1.3, có đường kính từ 3,3 – 6,0 mm và chiều dài từ 6 -16 mm. Ngoài ra, hợp kim Ti- 6Al-4V cũng được xem là một vật liệu kim loại rất thu hút cho các ứng dụng trong y học hay các thiết bị y sinh.
Trong y học, chúng được sử dụng làm các thiết bị cấy ghép thay thế cho các mô cứng bị hư hỏng hoặc mất chức năng, ví dụ như các khớp 5 do an đùi nhân tạo, khớp gối nhân tạo, đĩa xương, mạch máu nhân tạo, ốc vít nối các phần xương bị gãy, tim nhân tạo,…[10]. Vai trò của Ti-6Al-4V trong lĩnh vực y sinh 1. Ưu điểm Hợp kim Ti-6Al-4V đã được sử dụng rộng rãi làm vật liệu cấy ghép trong kỹ thuật y sinh do có tính thẩm thấu và tính tương thích sinh học tốt vì chúng có độ dẫn điện thấp, cấu trúc xếp chặt và ít khuyết tật bên trong cấu trúc do phân bố đều của các pha α và β, điều này góp phần làm hạn chế quá trình ôxy hóa của titan và dẫn đến sự hình thành lớp màng thụ động giúp chúng có khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn tốt [12]. Ti-6Al-4V có đặc tính cơ học vượt trội, khối lượng riêng 4,5 g/cm3 và có tỉ số độ bền trên trọng lượng rất cao.
Hợp kim Ti-6Al-4V là hợp kim titan thế hệ đầu tiên được sử dụng làm vật liệu cấy ghép, khả năng chống ăn mòn của Ti-6Al-4V là có đặc tính rất quan trọng và nổi bật ứng dụng trong môi trường dung dịch muối sinh lý. Hơn nữa, mô đun Young của chúng chỉ bằng một nửa so với thép không gỉ. Do đó, có nhiều sự chú ý dành cho Ti-6Al-4V và hướng đến phát triển và mở rộng ứng dụng hợp kim này vào thực tiễn. Nhu cầu sử dụng vật liệu y sinh được liên kết chặt chẽ với các thông số khác nhau như mô đun đàn hồi và độ bền.
Vì vậy, những hợp kim có độ bền cao, mô đun đàn hồi thấp thì càng được ưa chuộng trong lĩnh vực y sinh và hợp kim Ti-6Al-4V là một lựa chọn khá tốt cho ứng dụng này. Do đó, hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng rộng rãi trong chế tạo vật liệu y sinh dùng để cấy ghép trong cơ thể người do độc tính thấp và độ tương thích sinh học cao. Ngoài ra, với tính chất đàn hồi tốt, khó bị biến dạng giúp cho Ti-6Al-4V không những được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh mà còn trong các ngành công nghiệp khác [13]. (a) SEM mô tả pha α và β, (b) EBSD mô tả phân bố của pha α và β trong cấu trúc hợp kim và (c) phân bố kích thước hạt của hợp kim.
Nhược điểm Hình 1. Ăn mòn của hợp kim Ti-6Al-4V trong ứng dụng y sinh. Mặc dù Ti-6Al-4V có khả năng chống ăn mòn tốt nhưng ăn mòn vẫn có thể xảy ra trên các vật liệu y sinh khi được cấy ghép trong cơ thể con người. Nguyên nhân là do ion clorua có sẵn trong máu, thay đổi độ pH trong cơ thể người và mài mòn do ôxy hóa có thể làm phá hủy lớp màng thụ động titan ôxit bám trên bề mặt hợp kim gây ăn mòn cục bộ như mô tả trong Hình 1.
Ăn mòn có thể dẫn đến hư hỏng hoặc thậm chí làm loại bỏ hoàn toàn màng thụ động khỏi bề mặt tiếp xúc của hợp kim và làm tăng tốc độ ăn mòn. Đầu vít sử dụng trong y sinh (a) trước và (b) sau khi bị ăn mòn. Ăn mòn gây ra quá trình thoái hóa hoặc làm suy giảm, hư hỏng các cấu trúc, giảm tuổi thọ của vật liệu cấy ghép và làm giải phóng các ion kim loại hay sản phẩm ăn mòn không tương thích sinh học với cơ thể. Điều này gây ra những độc hại cho các tế bào của cơ thể, các phản ứng viêm, ảnh hưởng xấu đến cho xương, nhiễm trùng, các thiết bị ghép bị nới lỏng và gây đau nhức.
Ngoài ra, độc tính của các thành phần 7 do an hợp kim của titan là một vấn đề rất được chú trọng. Sự giải phóng các ion nhôm và đặc biệt là vanadi từ hợp kim Ti-6Al-4V có khả năng gây tương thích sinh học xấu dẫn đến các vấn đề về sức khỏe như bệnh thần kinh ngoại biên, bệnh xương khớp và bệnh mất trí nhớ, do đó phải tìm cách giảm sự giải phóng các ion này bằng cách tăng khả năng chống ăn mòn cho hợp Ti-6Al-4V. Vì vậy, các nhà khoa học đã rất nỗ lực nghiên cứu và phát triển nhằm xử lý bề mặt hợp kim Ti-6Al-4V để giảm thiểu ăn mòn cũng như thay đổi tính chất bề mặt của hợp kim này trước khi ứng dụng làm vật liệu y sinh [14-16]. Vì vậy, nghiên cứu làm gia tăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim Ti-6Al-4V trong ứng dụng y sinh là rất cần thiết, cấp bách và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Hình ảnh ăn mòn trên bề mặt của hợp kim Ti-6Al-4V ứng dụng trong y sinh. Ăn mòn hợp kim Ti-6Al-4V trong dung dịch điện li 1. Định nghĩa ăn mòn Ăn mòn trong dung dịch điện li là kết quả của sự phá hủy do các phản ứng hóa học của kim loại hoặc hợp kim với môi trường và xảy ra trên bề mặt tiếp xúc của nó dẫn đến các thay đổi về tính chất của kim loại/hợp kim và suy giảm đáng kể các chức năng của kim loại và môi trường [17]. Ăn mòn là một trong những vấn đề thường xuyên xảy ra trong cuộc sống hàng ngày, đặc biệt là trên các vật liệu làm bằng kim loại hay hợp kim.
Ăn mòn không thể được loại bỏ hoàn toàn mà chỉ có thể làm chậm lại. Theo đó bề mặt kim loại bị ôxy hóa hoặc khử thành sản phẩm ăn mòn như gỉ sét do phản ứng hóa học với môi trường. Bề mặt của các cấu trúc kim loại bị tấn công thông qua sự di chuyển của các ion ra khỏi bề mặt, dẫn đến sự hao hụt vật liệu theo thời gian. Ăn mòn có thể gây ra thiệt hại cho nhiều vật liệu, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của chúng.
Do đó bảo vệ ăn mòn là một vấn đề quan trọng đối với các vật liệu là hợp kim và kim loại. 8 do an Hình 1. Sơ đồ quá trình ăn mòn xảy ra trên bề mặt hợp kim Ti-6Al-4V.