Microstructural corrosion effects on carbon foam-AZ31 magnesium matrix composite surface

• Autorzy: Godzierz M. , Olszówka-Myalska A.

Warianty tytułu

PL

Mikrostrukturalne efekty korozji na powierzchni kompozytu piana węglowa-osnowa magnezowa AZ31

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the article, a new composite was studied as a potential biomaterial. The effects of the interaction of distilled water with the polished surface of an AZ31 magnesium matrix composite reinforced with open-celled glassy carbon foam fabricated by the pressure infiltration method were investigated. The experiment was conducted in the time range of 1 minute - 4 hours and the microstructure was examined by scanning electron microscopy. In the initial unetched material, at the glassy carbonmetal interface, a zone of needle-like phases was detected. After a 1÷10 minute interaction with the water, disintegration of that zone was revealed and that type of material degradation proceeded deeper into the composite as the time increased. Another type of corrosion was observed in microareas of the magnesium alloy matrix, but only after approx. 1 hour when corrosion pits were recorded. The results of X-ray mapping showed an increase in the oxygen concentration in both types of corrosion products, but the reason for the corrosion in the region between the carbon foam and the AZ31 matrix is degradation of the hydrophilic aluminium based carbide phases, while in the composite matrix, typical electrochemical corrosion of magnesium occurred.

PL

Odporność korozyjna magnezu i jego stopów, w tym AZ31 w środowisku wodnym jest słaba i materiały te stosowane są na bioresorbowalne implanty. Wprowadzenie do magnezu otwartokomórkowych pian węglowych pozwala uzyskać materiał zawierający dwa biozgodne komponenty o różnej odporności korozyjnej i tym samym kompozyt ulegający selektywnej korozji. Potencjalnie powinno to ułatwić wrastanie tkanek pomiędzy węglowy szkielet, który znacznie później sam ulegnie resorpcji. W pracy przedstawiono wyniki badań wstępnych oddziaływania wody destylowanej na mikrostrukturę kompozytu z osnową ze stopu AZ31, zawierającego otwartokomórkową pianę węglową (Cof) firmy Duocel 100 ppi o porowatości 97%, charakteryzującą się wstęgową budową ścian (RVC). Kompozyt wytworzono metodą infiltracji ciśnieniowej w atmosferze próżni, zgodnie z autorska procedurą. Metodą SEM z EDS charakteryzowano mikrostrukturę wypolerowanej powierzchni kompozytu w stanie wyjściowym i poddanej oddziaływaniu wody destylowanej w czasie od 1 minuty do 4 godzin. Wykazano występowanie dwóch mechanizmów degradacji mikrostruktury wynikających z oddziaływania wody destylowanej z kompozytem. Jeden, charakterystyczny dla stopów magnezu, wystąpił po 1 godzinie ekspozycji. Polegał on na powstawaniu na mikroobszarach osnowy niewielkich początkowo narostów produktów korozji, które z czasem całkowicie pokryły stop magnezu. Drugi obserwowany efekt oddziaływania dotyczył strefy połączenia metal-węgiel szklisty i ujawnił się po bardzo krótkim czasie. Występujące na granicy rozdziału iglaste fazy, zidentyfikowane pośrednio jako węglikowe zawierające aluminium, ulegały postępującej destrukcji. Proces był widoczny w przedziale czasu 1 do 10 minut, po którym dalszych zmian na powierzchni nie obserwowano. Wykazały je dopiero obserwacje przekroju poprzecznego, wskazujące na postępowanie procesu degradacji w głąb materiału. Uzyskane wyniki potwierdziły selektywną korozję kompozytu, ale aplikacja stopu AZ31 wywołuje na granicy emisję produktów gazowych, co wskazuje na celowość użycia w charakterze osnowy innego stopu magnezu.

Słowa kluczowe

EN

magnesium matrix composite; carbon open-celled foam; corrosion; interface; biomaterials

PL

kompozyty magnezowe; otwartokomórkowe piany węglowe; korozja; granica rozdziału; biomateriały

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 18, nr 3
• Strony: 133--139
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Godzierz M.

• Silesian University of Technology, Department of Materials Science and Metallurgy, Institute of Materials Science, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

autor

Olszówka-Myalska A.

• Silesian University of Technology, Department of Materials Science and Metallurgy, Institute of Materials Science, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Hufenbach W., Andrich M., Langkamp A., Czulak A., Fabrication technology and material characterization of carbon fibre reinforced magnesium, Journal of Materials Processing Technology 2006, 175(1-3), 218-224.
• [2] Gryc A., Rzychoń T., Characterization of microstructure of WE43 magnesium matrix composites reinforced with carbon fibres, Archives of Metallurgy and Materials 2016, 61 (2B), 1075-1081.
• [3] Wang Y., Jiang L., Chen G., Lin X., Zhang S., Pei R., Wu G., Characterization of the reaction products and precipitates at the interface of carbon fiber reinforced magnesium-gadolinium composite, Materials Characterization 2016, 113, 232-238.
• [4] Olszówka-Myalska A., Myalski J., Magnesium alloy AZ31 - Short carbon fiber composite obtained by pressure die casting, Solid State Phenomena 2015, 229, 115-122.
• [5] Rashad M., Pan F., Lin D., Asif M., High temperature mechanical behavior of AZ61 magnesium alloy reinforced with graphene nanoplatelets, Materials & Design 2016, 89, 1242-1250.
• [6] Goh C.S., Wei J., Lee L.C., Gupta M., Simultaneous enhancement in strength and ductility by reinforcing magnesium with carbon nanotubes, Materials Science and Engineering A 2006, 423, 153-156.
• [7] Wong W.L.E., Gupta M., High performance lightweight magnesium nanocomposites for engineering and biomedical applications, Nano World Journal 2017, 2, 78-83.
• [8] Olszówka-Myalska A., Some physicochemical phenomena observed during fabrication of Mg-C cast composites, Journal of Materials Engineering and Performance 2016, 25 (8), 3091-3097.
• [9] Olszówka-Myalska A., Myalski J., Chrapoński J., Influence of casting procedure on microstructure and properties of Mg alloy-glassy carbon particle composite, International Journal of Materials Research 2015, 106(7), 741-749.
• [10] Chelliah N.M., Singh H., Surappa M.K., Correlation between microstructure and wear behavior of AZX915 Mgalloy reinforced with 12 wt.% TiC particles by stir-casting process, Journal of Magnesium and Alloys 2016, 4 (4), 306-313.
• [11] Uozumi H., Kobayashi K., Nakanishi K., Matsunaga T., Shinozaki K., Sakamoto H., Tsukada T., Masuda C., Yoshida M., Fabrication process of carbon nanotube/light metal matrix composites by squeeze casting, Materials Science and Engineering A 2008, 495, 282-287.
• [12] Gawdzińska K., Nagolska D., Wojnar L., Effect of material and technological conditions on quality of metal matrix composite castings, Solid State Phenomena 2013, 197, 180-185.
• [13] Kremzer M., Dziekońska M., Sroka M., Tomiczek B., Abrasive wear of AlSi12-Al2O3 composite materials manufactured by pressure infiltration, Archives of Metallurgy and Materials 2016, 61(3), 1255-1260.
• [14] Myalski J., Hekner B., Posmyk A., Wpływ węglowej struktury szkieletowej na właściwości tribologiczne kompozytów z osnową aluminiową, Tribologia 2015, 5, 89-98.
• [15] San Marchi C., Kouzeli M., Rao R., Lewis J.A., Dunand D.C., Alumina-aluminum interpenetrating-phase composites with three-dimensional periodic architecture, Scripta Materialia 2003, 49, 861-866.
• [16] Dolata A.J., Centrifugal infiltration of porous ceramic preforms by the liquid alloy - theoretical background and experimental verification, Archives of Metallurgy and Materials 2016, 61 (1), 411-418.
• [17] Posmyk A., Myalski J., Composites including foam inserts designed for combustion engine cylinder liners, Composites Theory and Practice 2017, 17(1), 25-29.
• [18] Mehra D., Mahapatra M.M., Harsha S.P., Processing of RZ5-10wt%TiC in-situ magnesium matrix composite, Journal of Magnesium and Alloys 2018, 6(1), 100-105.
• [19] Olszówka-Myalska A., Myalski J., Godzierz M., Wrześniowski P., Magnesium matrix composite with open-celled carbon foam obtained by powder metallurgy, Archives of Metallurgy and Materials 2018, 63(2), 821-827.
• [20] Patent application No. P.422259, A. Olszówka-Myalska, J. Myalski, M. Godzierz.
• [21] Gu X.N., Zheng Y.F., Chen L.J., Influence of artificial biological fluid composition on the biocorrosion of potential orthopedic Mg-Ca, AZ31, AZ91 alloys, Biomedical Materials 2009, 4, 6 065011.
• [22] Johnston S., Shi Z, Atrens A., The influence of pH on the corrosion rate of high-purity Mg, AZ91 and ZE41 in bicarbonate buffered Hanks’ solution, Corrosion Science 2015, 101, 182-192.
• [23] Zainal Abidin N.I., Rolfe B., Owen H., Malisano J., Martin D., Hofstetter J., Uggowitzer P.J., Atrens A., The in vivo and in vitro corrosion of high-purity magnesium and magnesium alloys WZ21 and AZ91, Corrosion Science 2013, 75, 354-366.
• [24] Zhang E., Xu L., Yu G., In vivo evaluation of biodegradable magnesium alloy bone implant in the first 6 months implantation, Journal of Biomedical Materials Research 2009, 90A(3), 882-893.
• [25] Willbold E., Kaya A.A., Kaya R.A., Corrosion of magnesium alloy AZ31 screws is dependent on the implantation site. Materials Science and Engineering: B 2011, 176(20), 1835-1840.
• [26] Johnston S., Dargusch M., Atrens A., Building towards a standardized approach to biocorrosion studies: a review of factors influencing Mg corrosion in vitro pertinent to in vivo corrosion, Science China Materials 2018, 61(4), 475-500.
• [27] Li P., Zhou N., Qiu H., Maitz M. F., Wang J., Huang N., In vitro and in vivo cytocompatibility evaluation of biodegradable magnesium-based stents: a review, Science China Materials 2018, 61(4), 501-515.
• [28] Alijani S., Anvari A., Cycle numbers to failure for magnesium and its alloys in human body fluid, Journal of Chemical Engineering and Materials Science 2018, 9(1), 1-8.
• [29] Pec M.K., Reyes R., Sanchez E., Carballar D., Delgado A., Santamaria J., Arruebo M., Evora C., Reticulated vitreous carbon: a useful material for cell adhesion and tissue invasion, European Cells and Materials 2010, 20, 282-294.
• [30] Czarnecki J.S., Blackmore M., Jolivet S., Lafdi K., Tsonis P.A., Bone growth on reticulated vitreous carbon foam scaffolds and implementation of cellular automata modeling as a predictive tool, Carbon 2014, 79, 135-148.
• [31] Li Q., Turhan M.C., Rottmair C.A., Singer R.F., Virtanen S., Influence of MWCNT dispersion on corrosion behavior of their Mg composites, Materials and Corrosion 2012, 63, 384-387.
• [32] Bakkar A., Neubert V., Corrosion behaviour of carbon fibres/magnesium metal matrix composite and electrochemical response of its constituents, Electrochimica Acta 2009, 54, 1597-1606.
• [33] Godzierz M., Olszówka-Myalska A., Wrześniowski P., The interaction characteristics of liquid magnesium and selected magnesium alloys with open-celled glassy carbon foams, Inżynieria Materiałowa/Materials Engineering 2018, 222(2), 61-67.
• [34] Zhang D., Shen P., Shi L., Jiang Q., Wetting of B4C, TiC and graphite substrates by molten Mg, Materials Chemistry and Physics 2011, 130, 665-671.
• [35] Shinozaki N., Morita J., Wasai K., Wetting of graphite by molten magnesium, Journal of the Japan Institute of Light Metals 2005, 55, 310-314.
• [36] Kiełbus A., Precipitate processes in Mg-5Al magnesium alloy, Solid State Phenomena 2012, 191, 131-136.
• [37] Feldhoff A., Pippel E., Woltersdorf J., Carbon-fibre reinforced magnesium alloys: nanostructure and chemistry of interlayers and their effect on mechanical properties, Journal of Microscopy 1999, 196, 185-193.

Uwagi

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