Properties of diamond-like carbon coatings on the titanium alloy Ti13Nb13Zr

• Autorzy: Madej Monika , Piotrowska Katarzyna , Ozimina Dariusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.7765

Warianty tytułu

PL

Właściwości powłok diamentopodobnych na stopie tytanu Ti13Nb13Zr

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper discusses the results of experimental research on DLC type diamond coating a-C:H obtained by the technique of physical vapour deposition from PVD on titanium alloy Ti13Nb13Zr. Calotest and an optical microscope were used to determine the thickness of the obtained coating. The nano-hardness of uncoated and with a-C:H coating was determined by the indentation method using a Berkovich indenter. The geometric structure of the surface before and after tribological tests was assessed using a confocal microscope with an interferometric mode. Tests of the resistance of test materials to tribological wear were performed on a tribometer in reciprocating motion under technically dry friction, and friction with lubrication with an artificial blood solution and Ringer’s solution. Tests carried out for the combination of a 6 mm diameter Al2O3 ball-Ti13Nb13Zr titanium alloy disc without and with the DLC coating applied. The results obtained during the tests showed that the use of the DLC coating increases the hardness five times and reduces the friction. In the case of technically dry friction, the coefficient of friction decreased by 70%, the solution of artificial blood by 50%, and in the case of Ringer’s solution by 90%, in comparison with the results obtained for the Ti13Nb13Zr alloy.

PL

W pracy omówiono wyniki eksperymentalnych badań powłoki diamentopodobnej DLC typu a-C:H otrzymywanej techniką fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD na stopie tytanu Ti13Nb13Zr. Do określenia grubości otrzymanych powłoki posłużył kulotester oraz mikroskop optyczny. Nanotwardość elementów bez powłoki oraz z powłoką a-C:H wyznaczono metodą indentacyjną przy użyciu wgłębnika Berkovicha. Strukturę geometryczną powierzchni przed i po testach tribologicznych oceniano za pomocą mikroskopu konfokalnego z trybem interferometrycznym. Badania odporności materiałów testowych na zużycie tribologiczne przeprowadzono na tribometrze w ruchu posuwisto-zwrotnym w warunkach tarcia technicznie suchego oraz tarcia ze smarowaniem roztworem sztucznej krwi i roztworem Ringera. Obecność płynu miała na celu symulowanie naturalnych warunków tribologicznych występujących w ciele człowieka. Testy zrealizowano dla skojarzenia: kulka z Al2O3 – tarcza ze stopu tytanu Ti13Nb13Zr bez oraz z naniesioną powłoką DLC. Otrzymane wyniki badań wskazały, że zastosowanie powłoki DLC spowodowało 5-krotne zwiększenie twardości oraz zmniejszenie oporów ruchu par trących we wszystkich zastosowanych warunkach tarcia. W przypadku tarcia technicznie suchego wartość współczynnika tarcia zmniejszyła się o 70%, roztworu sztucznej krwi o 50%, a w przypadku roztworu Ringera o 90% w porównaniu z wynikami uzyskanymi dla stopu Ti13Nb13Zr. Wyniki uzyskane podczas badań stanowią źródło wiedzy na temat stopu Ti13Nb13Zr, powłok diamentopodobnych oraz ich potencjalnego zastosowania w systemach biotribologicznych.

Słowa kluczowe

EN

diamond-like carbon coating; titanium alloys; surface texture; friction; hardness; wear

PL

powłoka diamentopodobna; stopy tytanu; struktura geometryczna powierzchni; tarcie; twardość; zużycie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 6
• Strony: 39--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys.

Twórcy

autor

Madej Monika

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

autor

Piotrowska Katarzyna

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

autor

Ozimina Dariusz

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

Bibliografia

• 1. Poręba M., Reichert M., Sieniawski J., Zawadzka P.: Ocena powłoki diamentopodobnej wytworzonej na podłożu nadstopu niklu IN718 w procesach CVD wspomaganych plazmą wyładowania jarzeniowego, inżynieria materiałowa, 4, 35, 2014.
• 2. Piotrowska K., Madej M., Baranowicz P., Wysokińska-Miszczuk J.: The influence of diamond-like coatings on the properties of titanium, Materials Research Proceedings, 2018.
• 3. Jastrzębski K., Jastrzębska A., Bociaga D.: A review of mechanical properties of Diamond-Like Carbon coatings with various dopants as candidates for biomedical applications, Acta Innovations, 2017.
• 4. Braceras I., Ibáñez I., Dominguez-Meister S., Velasco X., Brizuela M., Garmendia I.: Electro-tribological properties of diamond like carbon coatings, Friction, 2019.
• 5. Madej M., Ozimina D., Gałuszka R., Gałuszka G.: Corrosion, friction and wear performance of diamond like carbon coating, Metallurgija, 2016.
• 6. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Mańkowska-Snopczyńska A., Wieczorek A.: The Effect of a Gear Oil on Abrasion, Scuffing, and Pitting of the DLC-Coated 18CrNiMo7-6 Steel, Coatings, 2018.
• 7. Derakhshandeh M. R., Eshraghi M. J., Javaheri M., Khamseh S.: Diamond-like Carbon-Deposited Films: A New Class of Bio-Corrosion Protective Coatings, Surface Innovations, 2018.
• 8. Kot M., Major Ł., Major R., Lackner J., Pontie M.: Coatings with advanced microstructure for biomedical applications, Tribologia, 2, 2017.
• 9. Czechowski K.: Effect of nanostructured multilayer coatings on functional properties of tools, Mechanik, 1, 2017.
• 10. Januś M.: DLC Layers Created Using CVD Techniques and Their Application, Chemical Vapor Deposition for Nanotechnology, 2018.
• 11. Avelar-Batista J. C., Spain E., Fuentes G. G. Sola A., Rodriguez R., Housden J.: Triode plasma nitriding and PVD coating: A successful pre-treatment combination to improve the wear resistance of DLC coatings on Ti6Al4V alloy, Surface and Coatings Technology, 2006.
• 12. Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali – podstawy, urządzenia, technologie, 1995.
• 13. Baptista A., Silva F. J. G., Porteiro J., Míguez L., Pinto G., Fernandes L.: On the Physical Vapour Deposition (PVD): Evolution of Magnetron Sputtering Processes for Industrial Applications, Procedia Manufacturing, 17, 2018.
• 14. Kocemba W.: Powłoki PVD BALINIT, Wybrane zastosowania. Inżynieria Powierzchni, 2, 2005.
• 15. Burakowski T., Miernik K., Walkowicz J.: Technologie wytwarzania z wykorzystaniem plazmy cienkich powłok tribologicznych. Metaloznawstwo, Obróbka cieplna, Inżynieria powierzchni, pp. 124–126, 1993.
• 16. Posti E., Nieminen I.: Influence of coating thickness on the life of TiN – coated high speed steel cutting tools, Wear, 129, 1989.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).