Microstructure and mechanical properties of porous Ti-6Al-4V composites with bioceramics fabriced by spark plasma sintering

• Autorzy: Dudek A. , Klimas M.

Warianty tytułu

PL

Struktura i wybrane właściwości kompozytów Ti-6Al-4V z dodatkiem bioceramiki wytwarzanych metodą iskrowego spiekania plazmowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Substantial progress in the field of materials used for medicine has be observed in recent years, driven by the higher demand for these types of materials. Promising prospects are offered by composite materials that allow for unlimited modelling of the properties in materials used for specific medical applications. The focus of the investigations presented in this paper is placed on metallic-ceramic composites based on a titanium alloy matrix (Ti-6Al-4V) with a 20 wt.% addition of aluminium oxide (Al2O3), hydroxyapatite ceramics (Ca10(PO4)6(OH)2) and YSZ (zirconia stabilized with 8 wt.% yttria Y2O3) obtained using the spark plasma sintering method. The specimens were compressed at 35 MPa and sintered in a shielding gas (argon) medium at the temperature of 1000°C in an SPS HP 5 apparatus manufactured by FCT for 25 min. The obtained composites were subjected to microstructural analysis using an Axiovert light microscope and X-ray quality analysis using a D8 DISCOVER Bruker diffractometer. Hydrostatic weighing in deionized water according to the PN-EN ISO 2738:2001 standard was also used to evaluate the density (apparent and relative), porosity (open and total) and water absorption capacity. The topology of the surface of the metallic-ceramic composites was determined using a Hommel T1000 profilometer. The mechanical properties (microhardness) were measured using a semi-automatic microhardness tester (FM-7, FutureTech) with a Vickers indenter at a load of 100 G. The resistance to wear was evaluated by means of a ball wear testing stand. In this study, Ti6Al4V/HAp(ZrO2, Al2O3) composites were prepared using spark plasma sintering (SPS) to obtain highly compact composites. The aim of the study was to evaluate the ability of spark plasma sintering to obtain metallic-ceramic composites based on titanium alloy with an addition of inert ceramics and bioactive ceramics for medical applications.

PL

W ostatnim czasie można zauważyć ogromny postęp w dziedzinie materiałów dla medycyny, niejako wymuszony zwiększonym zapotrzebowaniem na tego typu materiały. Ogromną nadzieję upatruje się w materiałach kompozytowych pozwalających na swobodne modelowanie właściwości elementów predestynowanych do konkretnych zastosowań medycznych. Przedmiotem badań przedstawionych w niniejszym artykule są wytwarzane metodą iskrowego spiekania plazmowego (SPS - spark plasma sintering) kompozyty metaliczno-ceramiczne na osnowie stopu tytanu Ti-6Al-4V z 20% mas. dodatkiem tlenku aluminium (Al2O3), ceramiki hydroksyapatytowej (Ca10(PO4)6(OH)2) oraz ceramiki cyrkonowej YSZ (tlenek cyrkonu modyfikowany 8% mas. tlenku itru Y2O3). Próbki prasowano przy ciśnieniu 35 MPa i spiekano w atmosferze gazu ochronnego (argonu) w temperaturze 1000°C w urządzeniu typu SPS HP 5 firmy FCT przez 25 min. Otrzymane kompozyty poddano analizie mikrostrukturalnej przy użyciu mikroskopu świetlnego Axiovert, rentgenowskiej analizie jakościowej na dyfraktometrze rentgenowskim D8 DISCOVER Bruker, oceniono metodą ważenia hydrostatycznego w wodzie dejonizowanej (zgodnie z normą PN-EN ISO 2738:2001) ich gęstość (pozorną i względną), porowatość (otwartą i całkowitą) oraz nasiąkliwość. Określono ponadto topografię powierzchni otrzymanych kompozytów metaliczno-ceramicznych, stosując profilometr Hommel T1000, oceniono właściwości mechaniczne (mikrotwardość) przy wykorzystaniu półautomatycznego mikrotwardościomierza Microhardness Tester FM-7 firmy FutureTech z zastosowaniem wgłębnika Vickersa przy obciążeniu 100 G, jak również ich odporność na ścieranie za pomocą kulotestera. Celem przeprowadzonych badań było określenie przydatności metody iskrowego spiekania plazmowego do wytwarzania kompozytów metaliczno-ceramicznych na bazie stopu tytanu z dodatkiem ceramiki inertnej oraz bioaktywnej do zastosowań medycznych.

Słowa kluczowe

EN

SPS method; metallic-ceramic composites; hydroxyapatite; zirconia; alumina

PL

metoda SPS; kompozyty metaliczno-ceramiczne; hydroksyapatyt; tlenek cyrkonu; tlenek aluminium

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 14, nr 1
• Strony: 23--28
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dudek A.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Production Engineering and Material Technology, Institute of Material Engineering al. Armii Krajowej 19, 42-200 Czestochowa, Poland

autor

Klimas M.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Production Engineering and Material Technology, Institute of Material Engineering al. Armii Krajowej 19, 42-200 Czestochowa, Poland

Bibliografia

• [1] Altindis M., Gőden M., Ni Ch., Sol-derived hydroxyapatite ddip-coating of a porous Ti6Al4V powder compact, Eurasian Chem. Tech. Journal 2009, 11, 129-136.
• [2] Rack H.J., Quazi J.I., Titanium alloys for biomedical applications, Materials Science and Engineering C 2006, 26, 1269-1277.
• [3] Niinomii M., Mechanical properties of biomedical titanium alloys, Materials Science and Engineering A 1998, 243, 231-236.
• [4] Nishimura T., Mitomo M., Hirotshuru H., Kawahara M., Fabrication of silicon nitride nano-ceramics by spark plasma sintering, Journal of Materials Science Letters 1995, 1046-1047.
• [5] Deymuynck M., Erauw J., Van Der Biest O., Delannay F., Cambier F., Densification of alumina by SPS and HP. A comparative study 2012, t. 32, 9, 1957-1964.
• [6] Kon M., Harikata L.M., Asoaka K., Porous Ti-6Al-4V alloy fabricated by spark plasma sintering for biomimetic surface modification, Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 2004, B68, 88-93.
• [7] Jurczyk M, Jakubowicz J., Bionanomateriały, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2008.
• [8] De Aza P.N., Luklinska Z.B., Guitian F., De Aza F., Mechanism of bonelike formation on a bioactive implant in vivo, Biomaterials 2003, 24, 1437.
• [9] Dobedore, R.S., West, G.D., Lewis, M.H., Spark plasma sintering of ceramics, Bulletin of the European Ceramic Society 2003, 1, 19-24.
• [10] Ning C.Q., Zhou Y., In vitro bioactivity of composite fabricated from HA and Ti powders by powder metallurgy method, Biomaterial 2002, 23, 2909-2915.
• [11] Dudek A., Klimas M., The microstructure and selected properties of titanium - hydroxyapatite composites obtained by spark plasma sintering (SPS method), Composites Theory and Practice 2013, 13(3), 208-213.
• [12] Król M., Dobrzański L.A., Reimann Ł., Czaja I., Surface quality in selective laser melting of metal powders, Archives of Materials Science and Engineering 2013, 60/2, 87-92.
• [13] Fernandez-Garcia E., Gutierrez-Ganzalez C.F., Fernandez A., Torrecillas R., Lopez-Esteban S., Processing and spark plasma sintering of zirconia/titanium cermets, Ceramic International 2013, 39, 6931-6936.
• [14] Wang Z, Li M. L., Shen Q., Zhang M., Fabrication of Ti/Al2O3 by spark plasma sintering, Key Engineering Materials 2003, 249, 137-140.
• [15] Klimas M., Dudek A., Klimas J., Composites with titanium and titanium alloy (Ti-6Al-4V) matrix and HAp phase for medical applications obtained with the method of powder metallurgy, Engineering of Biomaterials 2013, R.16 nr 122-123.
• [16] Guden M., Celik E., Akar E., Cetiner S., Compression testing of sintered Ti6Al4V powder compact for biomedical applications, Materials Characterisation 2005, 54, 399-408.
• [17] Ning C.Q, Zhou T., On the microstructure of biocomposites sintered from Ti, HA and bioactive glass, Biomaterials 2004, 25, 3379-3387.
• [18] Lin K., Lin Ch., Reaction between titanium and zirconia powders during sintering at 1500°C, J. Am. Ceram. Soc. 2007, 90, 2220-2225.
• [19] Tang F., Fudouzi H., Uchikoshi T., Sakka Y., Preparation of porous materials with controlled pore size and porosity, Journal of the European Ceramic Society 2004, 24, 341.
• [20] Guan L., Davies J.E., Preparation and characterization of a highly macroporous biodegradable composite tissue engineering scaffold, Journal of Biomedical Materials Research 2004, A71, 480.
• [21] Klimas M., Dudek A., Method of obtaining metallic-ceramic composites of Ti + HAp and its effect on structural properties, Engineering of Biomaterials 2012, 15, 116-117.