89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów
89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów
89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
126 mikrostruktura i właściwości<br />
stoPu ti-6al-7nb pO<br />
dyFuzyjnej oBróBce<br />
utwardzajĄcej tlenem<br />
t.MoskaleWicz 1 *, b.WendLer 2 , s.ziMoWski 1 , s.Milc 1 ,<br />
a.czyrska-fiLeMonoWicz 1<br />
1aKadeMia Górniczo-hutnicza, al. MicKiewicza 30, 30-059<br />
KraKów<br />
2PolitechniKa łódzKa, ul. stefanowsKieGo 1, 90-924 łódź<br />
*MaIlTo: tMosKale@aGh.edu.Pl<br />
streszczenie<br />
W pracy przedstawiono charakteryzację mikrostruktury,<br />
właściwości mikro-mechanicznych i tribologicznych<br />
stopu Ti-6Al-7Nb w stanie dostawy oraz<br />
po obróbce utwardzającej tlenem. Badania mikrostruktury<br />
przeprowadzono za pomocą skaningowej i<br />
transmisyjnej mikroskopii elektronowej na próbkach<br />
z przekroju poprzecznego. Stwierdzono, że strefa<br />
przypowierzchniowa utwardzonego stopu zbudowana<br />
była głównie z roztworu stałego tlenu w tytanie<br />
α(O). Zastosowana obróbka powierzchniowa istotnie<br />
poprawiła twardość oraz właściwości tribologiczne<br />
stopu (wzrost odporności na zużycie przez tarcie,<br />
zmniejszenie współczynnika tarcia).<br />
[Inżynieria <strong>Biomateriałów</strong>, <strong>89</strong>-<strong>91</strong>, (2009), 126-129]<br />
Wprowadzenie<br />
Stopy tytanu są szeroko stosowane w medycynie na<br />
elementy endoprotez stawu biodrowego i kolanowego [1,2].<br />
Obecnie najczęściej stosowane są dwufazowe (α+β) stopy<br />
tytanu, Ti-6Al-4V oraz Ti-6Al-7Nb. Materiały te mają wysoką<br />
wytrzymałość względną i dobrą odporność na korozję [2].<br />
Stop Ti-6Al-7Nb charakteryzuje się lepszą biokompatybilnością<br />
od stopu Ti-6Al-4V, ponieważ toksyczny wanad został<br />
w tym stopie zastąpiony niobem [2,3].<br />
Stopy tytanu mają stosunkowo małą odporność na zużycie<br />
przez tarcie i duży współczynnik tarcia. W celu poprawy<br />
tych niekorzystnych właściwości tribologicznych stosuje się<br />
obróbkę powierzchniową [1]. Bardzo obiecującą metodą<br />
poprawy tych niekorzystnych właściwości stopów tytanu<br />
jest obróbka powierzchniowa polegająca na utwardzeniu<br />
dyfuzyjnym powierzchni stopu tlenem w plazmie wyładowania<br />
jarzeniowego [4].<br />
Celem obecnej pracy była charakteryzacja mikrostruktury<br />
i właściwości tribologicznych stopu Ti-6Al-7Nb w stanie dostawy<br />
i po dyfuzyjnej obróbce utwardzającej tlenem.<br />
materiał i metodyka badań<br />
Badania przeprowadzono na dwufazowym (α+β) stopie<br />
Ti-6Al-7Nb. Materiały został dostarczony przez firmę<br />
BÖHLEr Edelstahl GmbH, Niemcy, w stanie po walcowaniu<br />
na gorąco i wyżarzaniu (750°C/2h), zgodnie z normą ASTM<br />
F1295/ISO 5832-11.<br />
Próbki stopu Ti-6Al-7Nb poddano obróbce powierzchniowej<br />
polegającej na dyfuzyjnym utwardzeniu warstwy<br />
wierzchniej atomami tlenu w plazmie wyładowania jarzeniowego<br />
przy temperaturze 1173K w atmosferze Ar+O 2.<br />
Badania mikrostruktury przeprowadzono za pomocą<br />
mikroskopii świetlnej, skaningowej- oraz transmisyjnej mikroskopii<br />
elektronowej (SEM, TEM). Cienkie folie z przekroju<br />
microstructure and<br />
ProPerties oF oXygen<br />
diFFusion strengthened<br />
ti-6al-7nb alloy<br />
t.MoskaleWicz 1 *, b.WendLer 2 , s.ziMoWski 1 , s.Milc 1 ,<br />
a.czyrska-fiLeMonoWicz 1<br />
1 aGh university of science and technoloGy,<br />
30 MicKiewicza ave., 30-059 cracow, Poland<br />
2technical university of lodz,<br />
1 stefanowsKieGo str., 90-924 lodz, Poland<br />
*MaIlTo: tMosKale@aGh.edu.Pl<br />
abstract<br />
The microstructure as well as micro-mechanical<br />
and tribological properties of the as received and glow<br />
discharge plasma thermal oxidized Ti-6Al-7Nb alloy<br />
were examined. Scanning and transmission electron<br />
microscopy investigations on cross-section specimens<br />
were used for microstructure investigations. The α (O)<br />
solid solution enriched by oxygen up to 22at % was<br />
mainly present in the near-surface region. Applied surface<br />
treatment significantly improved microhardness<br />
and tribological properties (wear resistance, friction<br />
coefficient) of the alloy.<br />
[Engineering of Biomaterials, <strong>89</strong>-<strong>91</strong>, (2009), 126-129]<br />
Introduction<br />
Titanium-based alloys are widely used in medicine for<br />
load bearing components of hip and knee joint prostheses<br />
[1,2]. Two phase (α+β) Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb alloys<br />
are used at the most. These materials exhibit high relative<br />
strength and good corrosion resistance [2]. The Ti-6Al-7Nb<br />
alloy has better biocompatibility than Ti-6Al-4V, because the<br />
toxic vanadium is replaced by niobium, which is non-toxic<br />
in interaction with human tissue [2,3].<br />
The application of titanium and its alloys as biomaterials<br />
is limited by poor tribological properties (e.g. relatively low<br />
wear resistance and high friction coefficient). Therefore,<br />
surface treatment is often applied [1]. Diffusion strengthening<br />
of the titanium alloy by glow discharge plasma in Ar+O2 atmosphere<br />
is a very promising method for improving surface<br />
properties of titanium alloys [4].<br />
The goal of this study was to characterise microstructure<br />
as well as micro-mechanical and tribological properties of<br />
the as received and surface treated Ti-6Al-7Nb alloy.<br />
materials and methods<br />
The Ti-6Al-7Nb is a two phase (α+β) titanium alloy. The<br />
alloy was delivered by BÖHLEr Edelstahl GmbH, Germany,<br />
as hot rolled and annealed at 750°C/2h alloy, according to<br />
ASTM F1295/ISO 5832-11.<br />
The Ti-6Al-7Nb specimens were surface treated by<br />
thermal oxidation at 1173K in the Ar+O 2 atmosphere in the<br />
presence of plasma glow discharge.<br />
Microstructure of the as received and surface treated<br />
samples was characterised by light microscopy (LM), scanning-<br />
and analytical transmission electron microscopy (SEM,<br />
TEM). TEM investigations were carried out on cross-section<br />
thin foils prepared by dimpling and subsequently ion-beam<br />
thinning using Precision Ion Polishing System (PIPS;<br />
Gatan). Phase identification was performed by means of