غربالگری ترکیبی آلیاژ زیرکونیوم نیوبیوم (Zr-Nb) با مدل از نوع CALPHAD برای ایمپلنت های نوید بخش زیست پزشکی

Compositional screening of Zr-Nb-Mo alloys with CALPHAD-type model for promising bio-medical implants

چکیده

تقاضاهای فزاینده برای جایگزین­ های بافت سخت زیستی (HTR) فشار را برای توسعه مواد ایمپلنت زیست­ پزشکی با سازگاری مناسب زیستی و مکانیکی افزایش داده است. سه معیار غربالگری ترکیب ­های آلیاژی برای کاربرد زیست­ پزشکی پیشنهاد شده بودند: ۱- پایداری ترمودینامیکی فاز سازگاز زیستی برای جلوگیری از استحاله­ های  و   ۲- ثابت الاستیک برشی C’ تتراگونال و مدول برشی مثبت برای جلوگیری از نرم ­شدن شبکه آکوستیک ناشی از استحاله ساختاری. ۳- مدول یانگ مناسب آلیاژ از نوع β در محدوده GPa 30-10 یا نزدیک به آن برای جلوگیری از اثر حفاظتی تنشی.

برای اعتبارسنجی معیارهای پیشنهادشده، غربالگری اولیه محاسباتی برای نامزد کردن ترکیب­ هایی از آلیاژ زیرکونیوم نیوبیوم (Zr-Nb) بوسیله مدلسازی بر پایه CALPHAD انجام شد. با محاسبه ترمودینامیکی، نه تنها منحنی کنتور T_O برای نشان دادن مرزهای غیرکلاسیک تجزیه فاز β_bcc و استحاله مارتنزیتی بکار برده شد بلکه دامنه ترکیبی که در آن آلیاژها نیروی محرکه بحرانی نسبتا کمی برای توقف جوانه ­زنی و رشد α_fcc از خود نشان می­‌دهند نیز تعیین شد. مدول یانگ در دمای بدن و کنتور از بین رفتن ثابت الاستیک برشی تتراگونال در کل دامنه ترکیبی پیش­بینی شدند. با روی هم  قرار دادن دامنه­ های ترکیبی که بطور مجزا معیارها را برآورده می­کنند، ترکیب­ های نامزد به شکل Zr-(18-24)Nb-0-3 Mo (درصد اتمی) تعیین شدند.

این ترکیب­ ها در تطابق خوبی با ترکیب بطور تجربی ساخته ­شده‌ی آلیاژهای زیست­ پزشکی هستند در نتیجه، این موضوع قابلیت اتکا به این معیار را بیشتر نشان می­دهد. معیارهای پیشنهادی بعلاوه متدولوژی محاسباتی برمبنای CALPHAD بعنوان یک کل، راهی جدید را برای توسعه مواد زیست­ پزشکی بالقوه در چارچوب ژنوم مواد باز می­کنند.

جهت دانلود ترجمه تخصصی و فارسی این مقاله می توانید وجه آنرا پرداخت نموده و بلافاصله دریافت نمایید.

ABSTRACT

The increasing demands for biological hard tissue replacements (HTR) press on the development of biomedical implant materials with good biological and mechanical compatibility. Three criteria of screening promising alloy compositions for bio-medical application were proposed: (1). High thermodynamic stability of biological compatible phase to avoid β_bcc→α_hcp and β_bcc→αʹ_hexagonal transformations. (2). Positive tetragonal shear elastic constant C′ and shear modulus to avoid the acoustic lattice softening induced structural transformation. (3). Appropriate Young’s modulus of β_type alloy in or close to 10–۳۰ GPa to avoid the “stress-shielding effect”.

To validate the proposed criteria, the initiatives of computational screening for candidate compositions of Zr-Nb-Mo alloys were implemented by CALPHAD based modeling. With the thermodynamic calculation, not only the plot of T0 contour was employed to indicate the boundaries of nonclassical decomposition of β_bcc phase and martensitic transformation, but also the composition range in which the alloys exhibit relative low critical driving force to trigger nucleation and growth of α_hcp was determined. The Young’s modulus at body temperature and the contour of the vanishing tetragonal shear elastic constant were predicted within the entire composition range. By superimposing the composition ranges which individually satisfy the criteria, the “candidate composition” were determined as Zr-(18−۲۴)Nb-(0−۳)Mo (atom%).

They are in good agreement with the composition in the experimentally fabricated biomedical alloys, thus further exemplify the reliability of the criteria. The proposed criteria together with the CALPHAD based computational methodology as a whole open up a new way to develop the potential bio-medical materials in the framework of Materials Genomes.