منصة الرسائل والاطاريح: تــحـضـيـر، توصيف، قــابــلـيـة التـشــغـيـــل والامثـليـة لســبــيــكــة Ti-35Nb-7Zr-5Ta الـحـيــاتـيـــة

الخلاصة

يهتم الباحثون حاليا بتحضير سبائك التيتانيوم نوع β والتي تمتلك معامل مرونة قليل وتحتوي على عناصر متوافقة حياتيا مثل Nb, Ta, Zr. تعتبر سبيكة Ti-35Nb-7Zr-5Ta من سبائك التيتانيوم نوع β المشهورة والتي تستخدم في تطبيقات طبية مختلفة لامتلاكها معامل مرونة قليل وتوافقية حياتية عالية. من ناحية أخرى فان سبائك التيتانيوم نوع β معرضة للعدوى البكتيرية لإنها لا تمتلك خاصية مقاومة البكتيريا وبالإمكان ان تتلوث بسرعة بعد الزرع، لذا فأن التعديل السطحي لها امر مهم لتحسين هذه الخاصية. لذا تمت دراسة تحضير وخواص السبيكة بالإضافة للتعديل السطحي لها. في العمل الحالي تم تحضير سبيكة Ti-35Nb-7Zr-5Ta (TNZT) بواسطة تكنولوجيا المساحيق. وقد أجريت معاملة حرارية لهذه السبيكة لزيادة نسبة طور بيتا β فيها والذي بدوره يزيد من التوافقية الحياتية بواسطة تقليل معامل المرونة وجعله مقاربا لمعامل مرونة العظم الطبيعي بالتالي يتم تجنب حدوث ظاهرة حجب الاجهاد (Stress Shielding)، حيث قلت نسبة طور الفا α من (32.65%) الى (14.57%) وازدادت نسبة طور بيتا β من (67.35%) الى (85.43%) بعد المعاملة الحرارية. أظهرت النتائج إمكانية تصنيع هذه السبيكة بنجاح بطريقة تكنولوجيا المساحيق باستخدام ضغط مقداره (800 MPa) وتلبيد لمدة (18 ساعة) مقسمة على مرحلتين (ساعتين بدرجة حرارة 500°C و16 ساعة بدرجة حرارة 1200°C). تم بعد ذلك تم عمل دراسة موسعة لهذه السبيكة المعاملة حراريا من ناحية الخواص الفيزيائية، الميكانيكية، الكهرو-كيميائية، والبيولوجية. تشمل هذه الفحوصات: الكثافة والمسامية الخضراء (قبل التلبيد)، الكثافة والمسامية الحقيقية (بعد التلبيد)، دراسة البنية المجهرية باستخدام المجهر الضوئي والمجهر الالكتروني الماسح (SEM)، تحليل الاطوار بحيود الاشعة السينية (XRD)، الصلادة، مقاومة الانضغاط، معامل المرونة، مقاومة البلى، قابلية الترطيب، مقاومة التآكل، معدل تحرر ايونات المعدن، مقاومة البكتيريا، بالإضافة الى دراسة السمية الخلوية باختبار (MTT) ودراسة النشاط الحيوي (Bioactivity). تم عمل معاملة سطحية لهذه السبيكة باستخدام طريقة التشغيل بالتفريغ الكهربائي الممزوج بالمسحوق (PM-EDM). المساحيق المستخدمة هي الفضة، السليكون، ومزيج من الفضة والسليكون بكميات مختلفة تصل الى 20غم/لتر. العوامل المتغيرة الأخرى تشمل التيار I (5-16) امبير، مدة النبضة Ton (9-37) ميكروثانية، والفترة بين نبضة وأخرى Toff (18-75) ميكروثانية. اوجدت النتائج ان طريقة PM-EDM هي طريقة مبتكرة لتشغيل المعدن وتعديل السطح في آن واحد. ان إضافة المسحوق للمحلول العازل اثناء عملية التشغيل بالتفريغ الكهربائي يحسن من الخواص التشغيلية والميكانيكية والبيولوجية للمشغولة. تم اعتماد تصميم تاكوجي (Taguchi design) باستخدام المصفوفات المتعامدة L27 (35) لحساب نسبة (S/N) وتم استخدام تحليل المتغيرات (ANOVA) لمعرفة العوامل الأكثر تأثيرا على معدل إزالة المعدن (MRR) والخشونة السطحية (SR) وسمك الطبقة المعاد سبكها (RLT) ومعدل التآكل (CR). ان العوامل الأكثر تأثيرا بالتسلسل هي (التيار، كمية المسحوق، نوع المسحوق، مدة النبضة، الفترة بين نبضة وأخرى). ان إضافة المساحيق Ag او Si او كليهما الى المحلول العازل اثناء عملية التشغيل بالتفريغ الكهربائي لعينة TNZT يؤدي بصورة عامة الى تحسن ملحوظ في معدل إزالة المعدن والانهاء السطحي ونقصان في سمك الطبقة المعاد سبكها ومعدل التآكل. ووجد أيضا ان إضافة مسحوق الفضة أعطت أفضل النتائج مقارنة بمسحوق السليكون او المسحوق المخلوط من كليهما (Ag+Si). بالإمكان استنتاج الظروف المثلى الواجب استخدامها للحصول على اعلى معدل إزالة للمعدن واقل خشونة سطحية وسمك الطبقة المعاد سبكها ومعدل تآكل عن طريق استخدام تحليل العلاقة الرمادية (GRA)، وهذه الظروف هي ( التيار=5 امبير، مدة النبضة=9 ميكروثانية، الفترة بين نبضة وأخرى=37 ميكروثانية، نوع المسحوق هو الفضة، كمية المسحوق=20غم/لتر. تم تطبيق تحليل الانحدار (regression analysis) لإيجاد علاقة رياضية لتوقع الخواص التشغيلية وبنسبة خطأ قليلة (1.64-6.02). وقد كانت العلاقات الرياضية الناتجة جيدة لتوقع معدل إزالة المعدن، والخشونة السطحية وسمك الطبقة المعاد سبكها ومعدل التآكل لأي ظروف تشغيل تقع ضمن المدى التي أجريت التجارب العلمية ضمنه. تم اجراء التعديل السطحي بنجاح على سبيكة TNZT باستخدام التشغيل بالتفريغ الكهربائي الممزوج بالفضة، وهذه هي التغييرات التي حدثت للعينة المشغلة بالظروف المثلى مقارنة بالعينة الأساس: زيادة الصلادة بمقدار 70%، زيادة مقاومة البلى بمقدار (25-27)%، نقصان معامل الاحتكاك بمقدار (28-33)%، نقصان زاوية الترطيب بمقدار 47%، زيادة جهد الدائرة المفتوحة (OCP) بمقدار 9%، نقصان معدل التآكل بمقدار 91%، تحول الميل للتآكل النقري (Pitting Corrosion) من ميل قليل الى بدون ميل، نقصان معدل الايونات المتحررة من المعدن بمقدار (38-67)%، إضافة خاصية مقاومة البكتيريا، زيادة معدل بقاء الخلية بمقدار 10% وتحسن النشاط الحيوي للسبيكة. ان التحسن الحاصل في الخواص الميكانيكية والبيولوجية يعود الى وجود معدن الفضة النبيل بالإضافة الى الاكاسيد والكاربيدات مثل (NbC, TiC, TiO2, ZrO2, Nb2O5) والتي ترسبت وانغرست كطور صلد في الطبقة المعاد سبكها على سطح المشغولة.