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Novel type of biomedical titanium-manganese-niobium alloy fabricated by arc melting and metal injection moulding

Neuartige biomedizinische Titan-Mangan-Niob-Legierung, hergestellt durch Lichtbogenschmelzen und Metallspritzgießen

  • Titanium and its alloys have been widely used as implant biomaterials due to their suitable combination of mechanical properties and biological compatibilities. At present, about 70-80% of implants are made of metallic biomaterials. Compared with magnesium alloys, stainless steel and cobalt alloys, titanium alloys have a higher specific strength, high corrosion resistance, and excellent biocompatibility. With research, Ti-Nb biomedical titanium alloys have been constantly developed. In the Ti-Nb alloy, the amount of Nb is usually from 16% to 42% (wt.%) which is about 10% to 30% (at.%). As reported, Mn as a trace element to the human body has the potential to be used in bio-materials. Therefore, this study aims at the partial replacement of Nb by Mn to reduce the costs, without deteriorating the mechanical properties. Moreover, it must be ensured good biocompatibility and corrosion resistance. This is the first investigated on Ti-Mn-Nb ternary alloys. In this work, According to β single-phase field, Ti-xMn-yNb (x=4, 10, 16; y=2, 8,Titanium and its alloys have been widely used as implant biomaterials due to their suitable combination of mechanical properties and biological compatibilities. At present, about 70-80% of implants are made of metallic biomaterials. Compared with magnesium alloys, stainless steel and cobalt alloys, titanium alloys have a higher specific strength, high corrosion resistance, and excellent biocompatibility. With research, Ti-Nb biomedical titanium alloys have been constantly developed. In the Ti-Nb alloy, the amount of Nb is usually from 16% to 42% (wt.%) which is about 10% to 30% (at.%). As reported, Mn as a trace element to the human body has the potential to be used in bio-materials. Therefore, this study aims at the partial replacement of Nb by Mn to reduce the costs, without deteriorating the mechanical properties. Moreover, it must be ensured good biocompatibility and corrosion resistance. This is the first investigated on Ti-Mn-Nb ternary alloys. In this work, According to β single-phase field, Ti-xMn-yNb (x=4, 10, 16; y=2, 8, 14, at.%) alloys (arc-melted) have been fabricated. The Ti-Mn-Nb alloys are investigated by optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD), hardness test, transmission electron microscopy (TEM) and mechanical testing. By screening study on alloy, Ti-10Mn-14Nb (at.%) (Ti-10Mn-23.7Nb (wt.%)) is the optimal alloy with tensile strength (760 MPa) and elongation (10.5%). After that, the Metal Injection Moulding (MIM) is used to prepare Ti-Mn-Nb alloys. The MIM method can greatly reduce the processing cost. MIM Ti-xMn-yNb (x=3, 4, 6; y=1, 2, 4, at.%), Ti-4Mn-14Nb and Ti-10Mn-14Nb alloys are fabricated. Among them, a very good combination of mechanical properties is achieved for MIM processed Ti-4Mn-2Nb (at.%) (Ti-4.5Mn-3.8Nb (wt.%)), namely a YS of 642 MPa, UTS of 725 MPa and high ductility of 16% elongation to fracture. With further investigations, when the yttrium content is 0.1% (at.%), the tensile strength of Ti-4Mn-2Nb-0.1Y (at.%) (Ti-4.5Mn-3.8Nb-0.18Y (wt.%)) is increased to 785 MPa while elongation of 12.9%. These mechanical properties already exceed Ti-6Al-4V (ASTM F2885 Grade 5 undensified). In the in vitro evaluation, in comparison with MIM pure titanium, human osteoblasts MG63 adhered as well and proliferated on the surface of MIM Ti-Mn-Nb specimens. In the supernatant after cell culture, the Ti-Mn-Nb alloy shows similar osmolality and pH value results as MIM pure titanium. By LDH assay and DNA isolation, the MIM Ti-Mn-Nb alloys are not found to be toxic to MG63 cells. In the study of corrosion resistance in Hanks’ balanced salt solution (HBSS) at 37 °C, the corrosion current densities as well as the impedance of MIM Ti-Mn-Nb alloys are all better than those of MIM pure titanium and even better than those of MIM Ti-6Al-4V alloy.show moreshow less
  • Titan und seine Legierungen werden aufgrund ihrer geeigneten Kombination von mechanischen Eigenschaften und biologischen Verträglichkeiten in großem Umfang als Implantat-Biomaterialien verwendet. Derzeit bestehen ca. 70-80% der Implantate aus metallischen Biomaterialien. Im Laufe der Forschung wurden biomedizinische Ti-Nb-Legierungen laufend weiterentwickelt. Bei Ti-Nb-Legierungen beträgt der Anteil an Niob üblicherweise 16 bis 42 wt.%. Wie berichtet, ist Mangan ein wichtiges Spurenelement für den menschlichen Körper und eignet sich daher zu Verwendung in Biomaterialien. Darüber hinaus sind die Kosten für Mangan viel niedriger als für Niob. Daher zielt diese Studie auf den teilweisen Ersatz von Niob durch Mangan ab, um die Kosten zu senken, ohne die mechanischen Eigenschaften zu verschlechtern. Außerdem muss eine gute Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet sein. Dies ist die erste Untersuchung an ternären Ti-Mn-Nb-Legierungen. In dieser Arbeit werden die verschiedenen Zusammensetzungen durch LichtbogenschmelzenTitan und seine Legierungen werden aufgrund ihrer geeigneten Kombination von mechanischen Eigenschaften und biologischen Verträglichkeiten in großem Umfang als Implantat-Biomaterialien verwendet. Derzeit bestehen ca. 70-80% der Implantate aus metallischen Biomaterialien. Im Laufe der Forschung wurden biomedizinische Ti-Nb-Legierungen laufend weiterentwickelt. Bei Ti-Nb-Legierungen beträgt der Anteil an Niob üblicherweise 16 bis 42 wt.%. Wie berichtet, ist Mangan ein wichtiges Spurenelement für den menschlichen Körper und eignet sich daher zu Verwendung in Biomaterialien. Darüber hinaus sind die Kosten für Mangan viel niedriger als für Niob. Daher zielt diese Studie auf den teilweisen Ersatz von Niob durch Mangan ab, um die Kosten zu senken, ohne die mechanischen Eigenschaften zu verschlechtern. Außerdem muss eine gute Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet sein. Dies ist die erste Untersuchung an ternären Ti-Mn-Nb-Legierungen. In dieser Arbeit werden die verschiedenen Zusammensetzungen durch Lichtbogenschmelzen hergestellt. Gemäß β Einphasenfeld wurden Ti-xMn-yNb (x = 4, 10, 16; y = 2, 8, 14 at.%)-Legierungen durch Erschmelzen im Lichtbogenofen. Die Ti-Mn-Nb-Legierungen werden durch OM, XRD, Härteprüfung, TEM und mechanische Prüfung (Zugversuch) untersucht. Durch Screening-Untersuchungen an einer Legierung wurde Ti-10Mn-14Nb (at.%)) als optimale Legierung mit einer Zugfestigkeit von 760 MPa und einer Bruchdehnung von 10.5% ausgewählt. Anschließend werden im Metallpulverspritzguss (Metal Injection Molding, MIM) Proben aus Ti-Mn-Nb-Legierungen hergestellt. Da MIM ein endkonturnahes Fertigungsverfahren ist, kann das MIM-Verfahren die Verarbeitungs¬kosten erheblich reduzieren. MIM-Ti-xMn-yNb Legierungen werden hergestellt. Die MIM-verarbeitete Legierung Ti 4Mn-2Nb (at.%) erreicht eine sehr gute Kombination der mechanischen Eigenschaften, nämlich eine Dehngrenze von 642 MPa, eine Zugfestigkeit von 725 MPa und eine Bruchdehnung von 16%. Durch Zugabe von 0,1% (at.%) Yttrium entsteht die Legierung Ti-4Mn-2Nb-0,1Y (at.%). Hierbei wird die Zugfestigkeit auf 785 MPa erhöht, während eine Bruchdehnung von 12,9% beibehalten wird. Diese mechanischen Eigenschaften übersteigen bereits die Mindestanforderungen für Ti-6Al-4V nach ASTM F2885 (Grade 5 unverdichtet). In der In-vitro-Evaluation hafteten im Vergleich zu MIM-Reintitan auch humane Osteoblasten MG63 an und vermehrten sich auf der Oberfläche von MIM-Ti-Mn-Nb-Proben. Im Überstand nach der Zellkultur zeigt die Ti-Mn-Nb-Legierung ähnliche Osmolalitäts- und pH-Werte wie MIM-Reintitan. Durch LDH-Tests und DNA-Isolierung wurde festgestellt, dass die MIM-Ti-Mn-Nb-Legierungen für MG63-Zellen nicht toxisch sind. Bei der Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit in Salzlösung nach Hanks bei 37 °C sind sowohl die Selbstkorrosionsstromdichte als auch die Impedanz von MIM-Ti-Mn-Nb-Legierungen besser als die von MIM-Reintitan und sogar besser als die der MIM Ti-6Al-4V-Legierung.show moreshow less

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Metadaten
Author: Haoyin Zhang
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51280
Referee / Advisor:Prof. Dr. Florian Pyczak, Prof. Dr. Sabine Weiß
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of final exam:2020/01/29
Release Date:2020/05/14
Tag:Biomedizin; Mangan; Metallspritzguss; Niob; Titan
Biomedical; Mangane; Metal injection moulding; Niobium; Titanium
GND Keyword:Biomedizin; Lichtbogen; Metallspritzguss; Nioblegierung; Schmelzen; Manganlegierung; Titanlegierung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Mikrostrukturelles Werkstoffdesign
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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