طراحی و توسعه آلیاژهای انتروپی بالای Ti-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo در بایومواد فلزی
Design and development of Ti–Zr–Hf–Nb–Ta–Mo high-entropy alloys for metallic biomaterials
بایومواد فلزی جدید که به صورت همزمان زیست سازگاری و خواص مکانیکی خیلی خوبی دارند، برای پاسخ به نیازهای پزشکی در سال های آینده، بسیار مهم هستند. اخیراً، دسته ای از مواد ساختاری و کاربردی که آلیاژهای انتروپی بالا (HEA) نامیده می شوند، توسعه یافته اند که در پست های قبلی، به صورت کامل مورد بررسی قرار گرفته اند. آلیاژهای HEA در بایومواد فلزی، اصطلاحاً BioHEA نامیده می شوند که در چندین سیستم متفاوت توسعه یافته اند، مانند: Ti-Nb-Ta-ZrMo، Ti-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo، Ti-Zr-Nb-Ta-Fe، Ti-Zr-Hf-Cr-Mo، و Ti-Zr-Hf-Co-Cr-Mo. عناصر سازندۀ آلیاژهای BioHEA مشابه با آلیاژهای انتروپی بالای دیرگداز (RHEA) هستند، اما، مفهوم طراحی آلیاژ و خواص مطلوبِ BioHEA بسیار متفاوت از انوع دیرگداز است. خواص مکانیکی شامل مقاومت به خزش، پایداری فازی فاز BCC، و مقاومت به اکسیداسیون در دمای بالا، برای انوع دیرگداز مهم هستند. در مقابل، زیست سازگاری و خواص مکانیکی در دمای اتاق، عوامل غالب در طراحی BioHEA محسوب می شوند. علاوه بر آن، بهبود چقرمگی دمای محیط در این بایوآلیاژها بسیار ضروری است. در چندین پژوهش، تلاش شده است که بر چقرمگی دمای اتاق غلبه شود اما دلیل کماکان دلیل روشنی برای توضیح چقرمگی ضعیف این آلیاژها در دمای محیط، وجود ندارد. این ویژگی در هر دو نوع دیرگداز و زیستی، مشابه است که به یکسان بودن عناصر سازنده در این دو نوع آلیاژ، نسبت داده شده است.
آلیاژهای انتروپی بالا، آلیاژهای چند عنصری هستند که از پنج یا تعداد بیشتری عنصر اصلی تشکیل می شوند. پیچیدگی ترکیب آن ها، طراحی آلیاژ را دشوار می کند، به خصوص موجب شده است که ترکیب های آلیاژی مناسب را نتوان مشخص کرد. چندین پارامتر آلیاژ برای پیش بینی تمایل به تشکیل محلول جامد در آلیاژهای چندعنصری پیشنهاد شده اند و برای طراحی این نوع آلیاژها به کار رفته اند. بعلاوه، محاسبات ترمودینامیکی و شبیه سازی های اتمی نیز برای طراحی آلیاژهای انتروپی بالا به کار می روند. در مقاله ای که در مجله Materials and Design منتشر شده است، توصیه شده است که نمودارهای سطح پایه (ground state) که در وبسایت Materials Project ارائه می شوند، برای طراحی آلیاژهای چندعنصری استفاده شود که شامل شیشه های فلزی و آلیاژهای انتروپی بالا می گردد. همچنین، در این مقاله نشان داده شده است که محاسبات ترمودینامیکی در پیش بینی فازهای حاصل در BioHEAها موثر هستند.
در نتیجۀ این پژوهش، از پارامترهای تراکم الکترون های ظرفیت و درصد معادل مولیبدن، برای طراحی آلیاژهای انتروپی بالا استفاده شده است که منجر به توسعه آلیاژ جدید Zr-Hf-Nb-Ta-Mo شده است. این دو پارامتر در طراحی آلیاژهای انتروپی بالا و متوسط زیستی با ساختار BCC، موثر هستند. در نهایت، ترکیب آلیاژ انتروپی بالا و زیستی Ti28.33Zr28.33Hf28.33Nb6.74Ta6.74Mo1.55 توسعه یافته است که زیست سازگاری آن قابل قیاس با CP-Ti است و خواص مکانیکی آن بهتر از CP-Ti بوده است و چقرمگی کششی آن نیز در دمای محیط، مناسب بوده است. یافته این پژوهش، مسیر جدیدی را برای توسعه آلیاژهای زیست سازگار و انتروپی بالای Ti-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo فراهم می کند که می توانند در سایر سیستم های BioHEA نیز به کار روند.
