Optimization of properties of Ti based alloys for biomedical and structural applications

Abstract

Title: Optimization of properties of Ti based alloys for biomedical and structural applications Author: Josef Stráský Department / Institute: Department of Physics of Materials Supervisor of the doctoral thesis: Assoc. Prof. Miloš Janeček, Ph.D. Abstract: Titanium alloys belong to the mostly used biomaterials for orthopaedic implants. Advanced surface treatments of Ti alloys for orthopaedic use and newly developed biomedical beta-Ti alloys are investigated in this thesis. Wide spectrum of experimental techniques was employed in order to correlate material processing, microstructure and mechanical properties. Electric discharge machining was used as a biocompatibility enhancing surface treatment of Ti-6Al-4V alloy, but the treated material suffered from the poor fatigue performance. Two subsequent surface treatments - chemical etching and shot- peening - were proposed and it was shown that their combination significantly improves the fatigue performance of the material making it applicable in orthopaedics. This process was patented in the Czech Republic. The thesis further reviews complex problematic of biocompatible beta-Ti alloys. Several new biocompatible beta-Ti alloys were designed on the basis of Ti-Nb-Zr-Ta quaternary alloy. The effect of Fe, Si and O additions on microstructure, elastic modulus and...

Název práce: Optimalizace vlastností Ti slitin pro biomedicínské a strukturní aplikace Autor: Josef Stráský Katedra / Ústav: Katedra fyziky materiálů Vedoucí doktorské práce: Doc. RNDr. Miloš Janeček, CSc. Abstrakt: Slitiny titanu patří mezi nejpoužívanější materiály pro výrobu tělních implantátů. Předkládaná dizertace se věnuje experimentálnímu studiu pokročilých technologií povrchových úprav titanových implantátů a vývoji nových beta-titanových slitin pro využití v ortopedii. Široké spektrum experimentálních technik bylo využito pro studium souvislostí mezi přípravou materiálu, mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi. Elektroerozivní obrábění bylo využito netradičně jako povrchová úprava pro zvýšení biokompatibility slitiny Ti-6Al-4V. Nevýhodou povrchové úpravy je snížená únavová odolnost. Dvě následné úpravy povrchu - chemické leptání a kuličkování - byly navrženy pro zvýšení únavové odolnosti. Dosažená únavová odolnost je dostatečná pro využití takto upraveného materiálu v ortopedii. Tento proces byl patentován českým úřadem průmyslového vlastnictví. Dizertace dále shrnuje dosažené poznatky v oblasti biokompatibilních beta-slitin Ti. Na základě výchozí slitiny Ti- Nb-Zr-Ta bylo navrženo několik nových slitin s příměsemi železa, křemíku a kyslíku. Vliv příměsí na mikrostrukturu, modul pružnosti a...