89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów

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