Warstwy anodowe na stopach tytanu do różnorodnych zastosowań

• Autorzy: Krasicka-Cydzik E.

Warianty tytułu

EN

Anodic layers on titanium alloys for diversified applications

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Stan aktualnej wiedzy na temat anodowania nie uwzględnia w pełni synergicznego oddziaływania pola elektrycznego, elektrolitu i struktury fazowej materiału na formowanie właściwości warstw anodowych. Jest to szczególnie istotne w przypadku anodowania stopów tytanu w roztworach kwasu fosforowego. Specyficzne właściwości tego elektrolitu umożliwiają wytwarzanie warstw anodowych o wielorakim zastosowaniu. W artykule zwrócono uwagę na skład i stężenie elektrolitu, parametry polaryzacji oraz przygotowanie powierzchni stopu, które wpływają na formowanie warstw anodowych o zróżnicowanej grubości, zwartych lub porowatych, mikro lub nanostrukturalnych, pokrytych subwarstwą żelo-podobną o cechach ochronnych i/lub bioaktywnych, wzbogaconych wybranymi pierwiastkami lub jonami (fluor, wapń, fosforany). Na podstawie wyników analizy impedancyjnej, mikroskopii skaningowej i badań rentgenowskich przedstawiono również wpływ struktury fazowej oraz pierwiastków stopowych na właściwości warstwy żelo-podobnej (P2O5×4 H2O), grubszej i bioaktywnej, o lepszych cechach ochronnych. Opracowano technologie formowania cienkich i grubych warstw ochronnych o zastosowaniach przemysłowych, warstw odpornych na zginanie i/lub ścieranie oraz warstw o zastosowaniach medycznych, w tym zwłaszcza warstw bioaktywnych i wykazujących samoorganizację warstw nanorurek z ditlenku tytanu. Te ostatnie bogate w fosforany, formowane w roztworach kwasu fosforowego o wyższym stężeniu z dodatkiem jonów fluorkowych, są obecnie udoskonalane pod kątem zastosowań medycznych w implantologii kostnej oraz jako platformy biosensorów elektrochemicznych.

EN

In the state of-art on metals and alloys anodizing the synergetic interaction between the electric field, electrolyte and phase structure and their influence on the formation of anodic layer has not been yet fully considered. The problem is more important with regard to titanium alloys anodized in phosphoric acid solutions. The specific properties of this electrolyte induce the formation of different surface layers: thin or thick, compact or porous, micro- and nanostructural, having protective or gel-like coating and enriched with selected elements and species (fluorine, calcium and phosphates). In this work several anodizing factors, including the polarization parameters and the composition and concentration of electrolyte will be considered to explain the growth of oxide layers on titanium alloys for different applications. Two different technologies of anodizing have been elaborated to form thin and thick barrier anodic layers for industrial application: corrosion protective and resistant to mechanical deformation, and for biomedical applications: the bioactive and the self-organized TiO2 nanotube (NT) layers. The latter rich in phosphates produced by using phosphoric acid of higher concentration with fluoride ions led are being now developed with regard of further applications as bioactive bone implants and the electrochemical biosensor platforms.

Słowa kluczowe

PL

stopy tytanu; anodowanie; warstwy ochronne; warstwy bioaktywne

EN

titanium alloys; anodizing; protective layers; bioactive layers

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 25, nr 2
• Strony: 147--155
• Opis fizyczny: Bibliogr. 46 poz., rys.

Twórcy

autor

Krasicka-Cydzik E.

• Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra

Bibliografia

• [1] Trasatti S., Lodi G.: Electrodes of Conductive Metallic Oxides. ed. S. Trasatti, Chapt. B, Elsevier Amsterdam 1981.
• [2] Luckey H., Kubli F.: Titanium Alloys in Surgical Implants. ASTM 796 (1981).
• [3] Marciniak J.: Biomateriały. (In Polish), Technical University of Upper Silesia Press 2002.
• [4] Chrzanowski W., Szewczenko J., Tyrlik-Held J., Marciniak J., Zak J.: Influence of the anodic oxidation on the physicochemical properties of the Ti6Al4V ELI alloy. J Mater Processing and Technology, No. 162–163 (2005), s. 163–168.
• [5] Hanawa T., Mamoru O.: Calcium phosphate naturally formed on titanium in electrolyte solution. Biomaterials, No. 12 (1991), s. 767–774.
• [6] de Assis S.L., Wolynec S., Costa I.: Corrosion characterization of titanium alloys by electrochemical techniques. Electrochimica Acta, No. 51 (2006), s. 1815–1819.
• [7] Krasicka-Cydzik E., Kowalski K., Głazowska I.: Bioactive surface layers formed electrochemically on titanium materials in phosphoric acid solution. 3rd Central Eur Conf. Krakow, 2006, abstract, ed. K. Szaciłowski.
• [8] Sul Y.T.: The significance of the surface properties of oxidized titanium to the bone response: special emphasis on potential biochemical bonding of oxidized titanium implant. Biomaterials No. 24 (2003), s. 3893–3907.
• [9] Bylica J., Sieniawski J.: Titanium and its alloy. PWN, Warszawa 1985.
• [10] Corbridge D.E.C.: Phosphorus. the 5th Edit. Elsevier. Amsterdam – Lausanne – New York-Oxford –Shannon –Tokyo 1995.
• [11] Krasicka-Cydzik E.: Formation of thin anodic layers on titanium and its implant alloys. University of Zielona Gora Press, Zielona Góra 2003.
• [12] E. Krasicka-Cydzik: Sposób wytwarzania powłoki anodowej na wyrobach z tytanu i jego stopów, Patent RP nr 185176, Politechnika Zielonogórska, LfC sp. z o.o. 2003.
• [13] Kierzkowska A., Malinowski M., Krasicka-Cydzik E.: Effect of bending on anodized Ti6Al4V alloy – surface layers characteristics. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering vol. 18 no. 1–2 (2006), s. 139–142.
• [14] Kierzkowska A., Krasicka-Cydzik E.: Behaviour of Ti6Al4V implant alloy in vitro after plastic deformation by bending. Surface and Interface Analysis vol. 40 no. 3–4 (2008), s. 507–512.
• [15] Krasicka-Cydzik E.: Formation and properties of anodic film on titanium in phosphoric acid solutions. Inżynieria Materiałowa (Mater. Eng) No. 9 (2002), s. 9–12.
• [16] Krasicka-Cydzik E., Głazowska I., Michalski M.: Bioactivity of implant titanium alloys after anodizing in H3PO4. Inżynieria Biomateriałów (Biomater. Eng) No. 7 (2004), s. 38–42.
• [17] Głazowska I., Krasicka-Cydzik E.: Impedance characteristics of anodized titanium in vitro. Inżynieria Biomateriałów (Biomater. Eng) No. 47–53 (2005), s. 127–130.
• [18] Krasicka-Cydzik E., Głazowska I., Michalski M.: Microscopic examination of anodic layers on implant titanium alloys after immersion in SBF solution. Inżynieria Biomateriałów (Biomater. Eng) No. 47–53 (2005), s. 131–133.
• [19] Krasicka-Cydzik E., Kowalski K., Głazowska I.: Electrochemical formation of bioactive surface layer on titanium. J Achiev Mater Manufact Engineering Vol. 18 No. 1–2 (2006), s. 147–150.
• [20] Krasicka-Cydzik E.: Electrochemical aspects of tailoring anodic layer properties on titanium alloys. Ochrona przed korozją (Corrosion Protection) Vol. XLII (1999), s. 48–52.
• [21] Krasicka-Cydzik E.: Influence of phosphoric acid on the rate of titanium alloys anodizing. Arch. BMiAut. Poznań nr 20 (2000), s. 155–158.
• [22] Krasicka-Cydzik E.: Method of phosphate layer formation on titanium and its alloys, Polish Patent, PL 203453, Univ. Zielona Gora 2009.
• [23] Krasicka-Cydzik E.: Impedance properties of anodic films formed in H3PO4 on selected titanium alloys. Inżynieria Materiałowa (Mater. Eng) vol. 7 nr 2 (2000), s. 5–11.
• [24] Krasicka-Cydzik E., Głazowska I.: Influence of alloying elements on behavior of anodic layer in phosphoric acid solution. Inżynieria Biomateriałów (Biomater. Eng) No. 67-68 (2007), s. 29–31.
• [25] Krasicka-Cydzik E., Głazowska I., Michalski M.: Hydroxyapatite coatings on titanium and its alloys anodised in H3PO4. EUROMAT 2005, European Congress on Advanced Materials and Processes. Prague, Czech Rep. 2005.
• [26] Unal I.: Phosphate Adsorption On Titanium Oxide Studied By Some Electron Spectroscopy, Diploma, Universite de Geneva, September 1999.
• [27] Pourbaix M.: Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions. National Association of Engineers, Houston 1974.
• [28] Grimes C. A., Mor G.K.: TiO2 Nanotube Arrays. Springer 2009.
• [29] Bavykin D.V., Walsh F.C.: Titanate and Titania Nanotubes: Synthesis, Properties and Applications. RSC 2010.
• [30] Ghicov A., Tsuchiya H., Macak J.M., Schmuki P.: Titanium oxide nanotubes prepared in phosphate electrolytes. Electrochem. Comm. No. 7 (2005), s. 505–509.
• [31] Tsuchiya H., Macak J.M., Taveira L., Balaur E., Ghicov A., Sirotna K., Schmuki P.: Self-organized TiO2 nanotubes prepared in ammonium fluoride containing acetic acid electrolytes. Electrochem. Comm. No. 7 (2005), s. 576–580.
• [32] Tsuchiya H., Macak J. M., Taveira L., Schmuki P.: Fabrication and characterization of smooth high aspect ratio zirconia nanotubes. Chem. Phys. Letters No. 410 (2005), s. 188–191.
• [33] Zhao J., Wang X., Chen R., Li L.: Synthesis of thin films of barium titanate and barium strontium titanate nanotubes on titanium substrates. Materials Letters No. 59 (2005), s. 2329– 2332.
• [34] Krasicka-Cydzik E., Głazowska I., Kaczmarek A., Białas-Heltowski K.: Influence of floride ions concentration on growth of anodic sel-aligned layer of TiO2 nanotubes. Inżynieria Biomateriałów (Biomater. Eng) No. 77-80 (2008), s. 46–49.
• [35] Krasicka-Cydzik E., Kowalski K., Kaczmarek A.: Anodic and nanostructural layers on titanium and its alloys for medical applications. Inżynieria Materiałowa (Mater. Eng) No. (2009), s. 132–136.
• [36] Krasicka-Cydzik E., Głazowska I., Kaczmarek A., Klekiel T., Kowalski K.: Nanostructural oxide layer formed by anodizing on titanium and its implant alloy with niobium. Inżynieria Biomateriałów (Biomater. Eng) No. 89-91 (2009), s. 105–108.
• [37] Kaczmarek A., Klekiel T., Krasicka-Cydzik E.: Fluoride concentration effect on the anodic growth of self aligned oxide nanotube array on Ti6Al7Nb alloy. Surface and Interface Analysis Vol. 42 No. 6–7 (2010), s. 510–514.
• [38] Machnik M., Głazowska I., Krasicka-Cydzik E.: Investigation for Ti/TiO2 electrode used as a platform for H2O2 biosensing. Inżynieria Materiałowa (Mater. Eng) No. 5 (2009), s. 363–365.
• [39] Łoin J., Kaczmarek A., Krasicka-Cydzik E.: Attempt to elaborate platform of the IIIrd generation biosensor for H2O2 on the surface of Ti covered with titania nanotubes. Inżynieria Biomateriałów (Biomater. Eng) Vol. 16 No. 2 (2010), s. 54–56.
• [40] Qiu J., Yu W., Gao X., Li X.: Fabrication and characterization of TiO2 nanotube arrays having nanopores in their walls by double-template-assisted sol–gel. Nanotechnology No. 18 (2007), s. 295604–295609.
• [41] Zwilling V., Aucouturier M, Darque-Ceretti E.: Anodic oxidation of titanium and TA6V alloy in chromic media. An electrochemical approach. Electrochim. Acta No. 45 (1999), s. 921–929.
• [42] Yang B., Uchida M., Kim H.M., Zhang X., Kokubo T.: Preparation of bioactive titanium metal via anodic oxidation treatment. Biomaterials No. 25 (2004), s. 1003–1010.
• [43] Macak J.M., Sirotna K., Schmuki P.: Self-organized porous titanium oxide prepared in Na2SO4/NaF electrolytes. Electrochim. Acta No. 50 (2005), s. 629–635.
• [44] Krasicka-Cydzik E., Kowalski K., Kaczmarek A., Glazowska I., Bialas Heltowski K.: Competition between phosphates and fluorides at anodic formation of titania nanotubes on titanium. Surface and Interface Analysis No. 42 (2010), s. 471–474.
• [45] Freitas M.B, Bulhoes L.: Breakdown and Crystallization Processes in Niobium Oxide-Films in Oxalic-Acid Solution. J. Appl. Electrochem No. 27 (1997), s. 612–615.
• [46] Heusler K.E., Schultze M.: Electron-transfer Reactions at Semiconducting Anodic Niobium Oxide Films. Electrochimica Acta No. 20 (1975), s. 237–244.