Effect of the shot peening on surface properties of Ti-6Al-4V alloy produced by means of DMLS technology

• Autorzy: Żebrowski Remigiusz , Walczak Mariusz , Klepka Tomasz , Pasierbiewicz Kamil

Identyfikatory

DOI

10.17531/ ein.2019.1.6

Warianty tytułu

PL

Wpływ nagniatania strumieniowego na właściwości eksploatacyjne stopu Ti-6Al-4V uzyskanego technologią przyrostową DMLS

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The state of the surface layer and biocompatibility are the key parameters contributing to successful implantation of prostheses such as bone implants which are now increasingly often produced by means of DMLS technologies. The analysis of these factors and proper selection of material are required in order to determine the most favourable technological parameters contributing to long term functioning in course of their presence in human body. Therefore, the purpose of the present paper is to investigate the effect of shot peening on the state of the surface layer and corrosion resistance of specimens made of Ti-6Al-4V titanium alloy produced in Direct Metal Laser Sintering (DMLS) process. The specimens have been produced by means of EOSINT M280 system dedicated for laser sintering of metal powders and their surfaces have been subjected to the shot peening process under three different working pressures (0.2, 0.3 and 0.4 MPa) and by means of three different media i.e. CrNi steel shot, crushed nut shells and ceramic balls based on ZrO2. It has been found that the process conditions i.e. working pressure in course of shot peening and proper selection of applied shot will make it possible to achieve the properties in modified material sufficient to ensure that assumed functions associated with the improvement of surface layer condition are invariable during required period in specified implant operation conditions. In such case, these factors have been determined in course of microhardness tests, evaluation of surface development degree as well as potentiodynamic tests. The increase of working pressure caused deteriorated corrosion resistance. Simultaneously, it has been found the corrosion resistance was most satisfactory for the surfaces modified by means of: ceramic balls based on ZrO2 > crushed nut shells > CrNi steel shot correspondingly.

PL

Stan warstwy wierzchniej i biozgodność to podstawowe czynniki mające wpływ na efektywną implantację. W przypadku wyrobów medycznych takich jak: implanty kostne, które obecnie są coraz częściej wytwarzane z wykorzystaniem technologii przyrostowych, analiza tych czynników oraz właściwy dobór materiału jest niezbędny do określenia najbardziej korzystnych parametrów technologicznych przyczyniających się do długotrwałego działania podczas ich eksploatacji w organizmie. Dlatego też celem niniejszego artykułu jest zbadanie wpływu obróbki nagniataniem strumieniowym (ang. shot peening), na stan warstwy wierzchniej i odporność korozyjną próbek ze stopu tytanu Ti-6Al-4V wytworzonych technologią przyrostową DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Przy zastosowaniu systemu laserowego spiekania proszków metali EOSINT M280 wykonano próbki, których powierzchnie następnie poddano obróbce nagniatania strumieniowego przy trzech rożnych ciśnieniach roboczych (0.2, 0.3 i 0.4 MPa) z wykorzystaniem trzech różnych mediów tj.: śrutem ze stali CrNi, rozdrobnionymi łupinami orzechów oraz kulkami ceramicznymi na bazie ZrO2. Stwierdzono dla wszystkich badanych powierzchni, że warunki procesu tj. ciśnienia roboczego obróbki nagniataniem strumieniowym oraz odpowiedni dobór śrutu pozwolą na uzyskanie takich właściwości w modyfikowanym materiale, że założone funkcje poprawy stanu warstwy wierzchniej będą niezmienne przez wymagany czas w określonych warunkach eksploatacji implantu. W tym przypadku wskaźniki te określono podczas badań mikrotwardości, oceny stopnia rozwinięcia powierzchni oraz testów potencjodynamicznych. Wzrost ciśnienia roboczego powodował pogorszenie odporności na korozję. Przy czym najbardziej korzystnie pod względem odporności korozyjnej zachowywały się powierzchnie modyfikowane kolejno: ceramiką na bazie ZrO2> łupinami orzechów> śrutem stalowym CrNi.

Słowa kluczowe

EN

additive manufacturing; shot peening; exploitation; titanium alloys; corrosion resistance

PL

wytwarzanie przyrostowe; nagniatanie strumieniowe; eksploatacja; stopy tytanu; odporność korozyjna

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 21, no. 1
• Strony: 46--53
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Żebrowski Remigiusz

• Centre of Oncology of the Lublin Region St. John of Dukla, Department of General Surgery, ul. dr K. Jaczewskiego 7, 20-090 Lublin, Poland

autor

Walczak Mariusz

• Department of Materials Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 36; 20-618 Lublin, Poland

autor

Klepka Tomasz

• Department of Technology and Polymer Processing, Faculty of Mechanical Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 36; 20-618 lublin, Poland

autor

Pasierbiewicz Kamil

• Department of Materials Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 36; 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• 1. Ahmed A A, Mhaede M, Wollmann M, Wagner L. Effect of micro shot peening on the mechanical properties and corrosion behavior of two microstructure Ti-6Al-4V alloy. Applied Surface Science 2016; 363: 50-58, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.12.019.
• 2. Aung N N, Zhou W. Effect of grain size and twins on corrosion behaviour of AZ31B magnesium alloy. Corrosion Science 2010; 52(2): 589- 594, https://doi.org/10.1016/j.corsci.2009.10.018.
• 3. Barzoukas H, Jauffret J. Peening with ceramic shot. ICSP-4 1990; 47-56.
• 4. Benedetti M, Torresani E, Leoni M, Fontanari V, Bandini M, Pederzolli C, Potrich C. The effect of post-sintering treatments on the fatigue and biological behavior of Ti-6Al-4V ELI parts made by selective laser melting. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 2017; 71: 295-306, https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2017.03.024.
• 5. Bieniaś J, Surowska B, Stoch A, Matraszek H, Walczak M. The influence of SiO2 and SiO2-TiO2 intermediate coatings on bond strength of titanium and Ti6Al4V alloy to dental porcelain. Dental Materials 2009; 25(9): 1128-1135, https://doi.org/10.1016/j.dental.2009.01.107.
• 6. Ganesh B K C, Sha W, Ramanaiah N, Krishnaiah A. Effect of shotpeening on sliding wear and tensile behavior of titanium implant alloys. Materials and Design 2014; 56: 480-486, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.11.052.
• 7. Geetha M, Singh AK, Asokamani R, Gogia AK. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants-A review. Progress in Materials Science 2009; 54(3): 397-425, https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.06.004.
• 8. Haruna W S W, Manam N S, Kamariah M S I N, Sharif S, Zulkifly A H, Ahmad I, Miura H. A review of powdered additive manufacturing techniques for Ti-6Al-4V biomedical applications. Powder Technology 2018; 331: 74-97, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.03.010.
• 9. Hoog C op't, Biribilis N, Estrin Y. Corrosion of pure Mg as a function of grain size and processing route. Advanced Engineering Materials 2008; 10(6): 579-582, https://doi.org/10.1002/adem.200800046.
• 10. Jelliti S, Richard C, Retraint D, Roland T, Chemkhi M, Demangel C. Effect of surface nanocrystallization on the corrosion behavior of Ti6Al-4V titanium alloy. Surface & Coatings Technology 2013; 224: 82-87, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.02.052.
• 11. Kajzer W, Jaworska J, Jelonek K, Szewczenko J, Kajzer A, Nowińska K, Hercog A, Kaczmarek M, Kasperczyk J. Corrosion resistance of Ti6Al4V alloy coated with caprolactone-based biodegradable polymeric coatings. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2018; 20 (1): 30-38, https://doi.org/10.17531/ein.2018.1.5.
• 12. Konečná R, Nicoletto G, Bača A, Kunz L. High cycle fatigue life of Ti6Al4V alloy produced by direct metal laser sintering. Solid State Phenomena 2017; 258: 522-525, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.258.522.
• 13. Mirza Rosca JC, Gonzalez S, Llorente ML, Popa MV, Vasilescu E, Drob P. 7th European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis. Wiley, New York 1997; 377.
• 14. Przestacki D, Chwalczuk T, Wojciechowski S. The study on minimum uncut chip thickness and cutting forces during laser-assisted turning of WC/NiCr clad layers. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2017; 91: 3887-3898, https://doi.org/10.1007/s00170- 017-0035-5.
• 15. Przestacki D, Majchrowski R, Marciniak-Podsadna L. Experimental research of surface roughness and surface texture after laser cladding. Applied Surface Science 2016; 388: 420-423, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.12.093.
• 16. Song D, Ma A B, Jiang J H, Lin P H, Yang D H, Fan J F. Corrosion behaviour of bulk ultra-fine grained AZ91D magnesium alloy fabricated by equal-channel angular pressing. Corrosion Science 2011; 53(1): 362-373, https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.09.044.
• 17. Sonntag R, Reinders J, Gibmeier J, Kretzer J P. Fatigue strengthening of an orthopedic Ti6Al4V alloy: what is the potential of a final shot peening process? Biomaterials and Medical Tribology. Research and Development. A volume in Woodhead Publishing Series in Biomaterials 2013; 217-237.
• 18. Thijs L, Kempen K, Kruth J-P, Van Humbeeck J. Fine-structured aluminium products with controllable texture by selective laser melting of pre-alloyed AlSi10Mg powder. Acta Materialia 2013; 61(5): 1809-1819, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.11.052.
• 19. Vališ D, Koucky M, Zak L. On approaches for non-direct determination of system deterioration. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2012; 14(1): 33-41.
• 20. Walczak M, Gąska D, Guzik M. Characteristics of products made of 17-4PH steel by means of 3D printing method. Applied Computer Science 2016; 12(3): 29-36.
• 21. Wojciechowski Sz, Nowakowski Z, Majchrowski R, Królczyk G. Surface texture formation in precision machining of direct laser deposited tungsten carbide. Advances in Manufacturing 2017; 5(3): 251-260, https://doi.org/10.1007/s40436-017-0188-3.
• 22. Xu K-D, Wang J-N, Wang A-H, Yan H, Zhang X-L, Huang Z-W. Surface nanocrystallization and its properties of a rare earth magnesium alloy induced by HVOF-SMB. Current Applied Phisics 2011; 11(3): 677-681, https://doi.org/10.1016/j.cap.2010.11.031.
• 23. Yadroitsev I, Gusarov A, Yadroitsava I, Smurov I. Single track formation in selective laser melting of metal powders. Journal of Materials Processing Technology 2010; 210(12): 1624-1631, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.05.010.
• 24. Yadroitsev I, Krakhmalev P, Yadroitsava I. Hierarchical design principles of selective laser melting for high quality metallic objects. Additive Manufacturing 2015; 7: 45-56, https://doi.org/10.1016/j.addma.2014.12.007.
• 25. Zaleski K. The effect of vibratory and rotational shot peening and wear on fatigue life of steel. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2017; 19(1): 102-107, https://doi.org/10.17531/ein.2017.1.14.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).