Characterisation of Micromechanical and Tribological Properties of Titanium Grade 2 after Cyclic Oxidation

• Autorzy: Aniołek Krzysztof , Barylski Adrian

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0016.2929

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka właściwości mikromechanicznych i tribologicznych tytanu GRADE 2 po utlenianiu cyklicznym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the characterisation of micromechanical and tribological properties of titanium Grade 2 before and after cyclic oxidation. The oxidation process was carried out at temperatures of 600°C, 650°C and 700°C in 4 and 12 cycles. Microscopic studies showed that oxide particle size increased with increasing oxidation temperature and the number of cycles. Titanium Grade 2 showed up to 3 times higher hardness after cyclic oxidation. The highest hardness (8.4 GPa) was obtained after 12 cycles of titanium oxidation at 650°C. Tribological tests were conducted in pairs with different materials (Al₂O₃, ZrO₂, bearing steel 100Cr6). The presence of oxide layers obtained on the titanium surface resulted in a significant reduction in specific wear rate. Titanium Grade 2 showed the best resistance to sliding wear after cyclic oxidation at 600°C during sliding interaction with ZrO₂ and 100Cr6 balls (unmeasurable wear under assumed test conditions). In the other test variants, the reduction in wear ranged from 37 to 96%.

PL

W pracy przedstawiono charakterystykę właściwości mikromechanicznych i tribologicznych tytanu Grade 2 przed i po utlenianiu cyklicznym. Proces utleniania realizowano w temperaturze 600°C, 650°C i 700°C w 4 i 12 cyklach. W badaniach mikroskopowych wykazano, że wielkość cząstek tlenków rosła wraz ze wzrostem temperatury utleniania oraz liczby cykli. Tytan Grade 2 po utlenianiu cyklicznym charakteryzował się na wet 3-krotnie wyższą twardością. Największą twardość (8.4 GPa) uzyskano po 12 cyklach utleniania tytanu w temperaturze 650°C. Testy tribologiczne realizowano w skojarzeniu z różnymi materiałami (Al₂O₃ , ZrO₂ , stal łożyskowa 100Cr6). Obecność warstw tlenkowych otrzymanych na powierzchni tytanu spowodowała znaczną redukcję zużycia objętościowego. Najlepszą odpornością na zużycie ścierne tytan Grade 2 charakteryzował się po utlenianiu cyklicznym w temperaturze 600°C podczas współpracy ciernej z kulkami ZrO₂ oraz 100Cr6 (zużycie niemierzalne w przyjętych warunkach badań). W pozostałych wariantach badań redukcja zużycia wynosiła od 37 do 96%.

Słowa kluczowe

EN

cyclic oxidation; oxide layers; microindentation; friction; wear

PL

utlenianie cykliczne; warstwy tlenkowe; mikroindentacja; tarcie; zużycie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2023
• Tom: nr 1
• Strony: 9--18
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Aniołek Krzysztof

• University of Silesia, Faculty of Science and Technology, Institute of Materials Engineering, 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, Poland.

• https://orcid.org/0000-0002-5382-2038

autor

Barylski Adrian

• University of Silesia, Faculty of Science and Technology, Institute of Materials Engineering, 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, Poland.

• https://orcid.org/0000-0002-1863-1471

Bibliografia

• 1. Zhou Y., Zhang Q.Y., Liu J.Q., Cui X.H., Mo J.G., Wang S.Q.: Wear characteristics of a thermally oxidized and vacuum diffusion heat treated coating on Ti–6Al–4V alloy. Wear 344–345, 2015, pp. 9–21.
• 2. Unune D.R., Brown G.R., Reilly G.C.: Thermal based surface modification techniques for enhancing the corrosion and wear resistance of metallic implants: A review. Vacuum 203, 2022, p. 111298.
• 3. Niu Y., Pang X., Yue S., Wang S., Song C., Shangguan B., Zhang Y.: Improving tribological properties of Ti–Zr alloys under starved lubrication by combining thermal oxidation and laser surface texturing. Wear 496–497, 2022, p. 204279.
• 4. Brończyk A., Kowalewski P., Samoraj M.: Tribocorrosion behaviour of Ti6Al4V and AISI 316L in simulated normal and inflammatory conditions. Wear 434–435, 2019, p. 202966.
• 5. Cimenoglu H., Meydanoglu O., Baydogan M., Bermek H., Huner P., Kayali S.: Characterization of Thermally Oxidized Ti6Al7Nb Alloy for Biological Applications. Met. Mater. Int. 17(5), 2011, pp. 765–770.
• 6. Yadav S., Kumar A., Paramesh T., Sunita K.: A Review on Enhancement of Wear Resistance Properties of Titanium Alloy using Nano-Composite Coating. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 455, 2018, p. 012120.
• 7. Chou K., Li N., Marquis E.A.: Enhanced work hardening from oxygen-stabilized ω precipitates in an aged metastable β Ti-Nb alloy. Acta Materialia 220, 2021, p. 117302.
• 8. Aniołek K., Barylski A., Kupka M., Dercz G.: Cyclic Oxidation of Titanium Grade 2. Materials 13(23), 2020, p. 5431.
• 9. ISO 14577-1:2015. Metallic materials – Instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 1: Test method.
• 10. ASTM E2546. Standard Practice for Instrumented Indentation Testing.
• 11. Oliver W.C., Pharr G.M.: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Research 7, 1992, pp. 1564–1583.
• 12. Aniołek K., Barylski A., Kupka M., Tylka J.: The influence of thermal oxidation parameters on structural, friction, and wear characteristics of oxide layers produced on the surface of Ti–6Al–7Nb alloy. Journal of Tribology 141, 2019, pp. 031605-1-031605-9.
• 13. Aniołek K., Barylski A., Kupka M., Kaptacz S., Czajerek P.: Characterization of tribological properties of oxide layers obtained on titanium in different friction couples. Tribologia 2, 2018, pp. 5–11.
• 14. Kumar S., Sankara Narayanan T.S.N., Sundara Raman S.G., Seshadri S.K.: Thermal oxidation of Ti6Al4V alloy: Microstructural and electrochemical characterization. Materials Chemistry and Physics 119, 2010, pp. 337–346.
• 15. Somsanith N., Sankara Narayanan T.S.N., Kim Y.-K., Park I.-S., Bae T.-S., Lee M.-H.: Surface medication of Ti–15Mo alloy by thermal oxidation: Evaluation of surface characteristics and corrosion resistance in Ringer’s solution. Applied Surface Science 356, 2015, pp. 1117–1126.
• 16. Ebach-Stahl A., Eilers C., Laska N., Braun R.: Cyclic oxidation behaviour of the titanium alloys Ti6242 and Ti-17 with Ti–Al–Cr–Y coatings at 600 and 700 °C in air. Surface & Coatings Technology 223, 2013, pp. 24–31.
• 17. Münchow E.A., Correa M.B., Ogliari F.A., Piva E., Zanchi C.H.: Correlation between surface roughness and microhardness of experimental composites with varying filler concentration. The Journal of Contemporary Dental Practice 13(3), 2012, pp. 299–304.
• 18. Aniołek K., Barylski A., Kowalewski P., Kaptacz S.: Investigation of dry sliding friction, wear and mechanical behavior of the Ti-6Al-7Nb alloy after thermal oxidation. Materials 15, 2022, p. 3168.
• 19. Ouyang J.H., Yang Z.L., Liu Z.G., Liang X.S.: Friction and wear properties of reactive hot-pressed TiB2 –TiN composites in sliding against Al2 O3 ball at elevated temperatures. Wear 271, 2011, pp. 1966–1973.
• 20. Jitwirachot K., Rungsiyakull P., Holloway J.A., Jia-mahasap W.: Wear Behavior of Different Generations of Zirconia: Present Literature. Hindawi International Journal of Dentistry 2022, 2022, p. 9341616.
• 21. Correaa D.R.N., Grandini C.R., Rocha L.A., Proença J.P., Sottovia L., Cruz N.C., Rangel E.C., Hanawa T.: Effect of temperature on thermal oxidation behavior of biomedical Ti-Zr- Mo alloys. Journal of Alloys and Compounds 905, 2022, p. 164202.
• 22. Wang S., Liao Z., Liu Y., Liu W.: Different tribological behaviors of titanium alloys modified by thermal oxidation and spraying diamond like carbon. Surface & Coatings Technology 252, 2014, pp. 64–73.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).