Wear resistance improvement of pure titanium by laser boriding

• Autorzy: Dziarski P. , Makuch N. , Kulka M.

Warianty tytułu

PL

Zwiększenie odporności na zużycie czystego tytanu za pomocą borowania laserowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Titanium and its alloys are known for their exceptional properties: very good strength-to-weight ratio (even at high temperature), high stiffness, low elastic modulus, excellent biocompatibility and corrosion resistance. The poor wear resistance, as an important disadvantage, causes the limited using of these alloys. The diffusion boronizing could be the thermochemical treatment, which improves tribological properties of titanium but the use of these methods is limited owing to relatively long processing times, and only a thin layer is produced. In this study, instead of diffusion-boriding, laser-boriding was proposed to formation of boride layers on commercially pure titanium. Two-step treatment was applied. At first, the surface of substrate material (titanium Grade 2) was coated by paste including amorphous boron. Then the surface was remelted by laser beam. Laser tracks were arranged on the cylindrical surface by CO2 laser as multiple tracks formed in the shape of helical line. The obtained microstructure consisted of the following zones: remelted zone, heat affected zone and the substrate. The remelted zone was characterized by uniform thickness and high hardness (1300÷2100 HV). The abrasive wear resistance of this layer was also investigated and was compared to that obtained in case of pure titanium without treatment. The significant improvement of wear behaviour was observed as a consequence of laser boriding. The laser-borided specimens caused the catastrophic wear of the counterspecimens. Probably, the separated particles of counter-specimen, especially WC and TiC, caused the accelerated wear of the laser-borided layer. In case of pure titanium, the considerable higher relative mass loss of the specimen was observed, and the wear of the counter-specimen was small.

PL

Tytan i jego stopy są znane z ich wyjątkowych właściwości: bardzo dobrej wytrzymałości względnej (nawet w wysokiej temperaturze), dużej sztywności, małego modułu sprężystości wzdłużnej, doskonałej biokompatybilności i odporności na korozję. Dość mała odporność na zużycie, jako istotna wada, powoduje ograniczone stosowanie tych stopów. Borowanie dyfuzyjne mogłoby być obróbką cieplno-chemiczną, która poprawia właściwości tribologiczne tytanu, ale jego stosowanie ogranicza długi czas procesów, w następstwie których otrzymuje się jedynie cienką warstwę borowaną. W prezentowanej pracy zamiast borowania dyfuzyjnego do wytwarzania warstw borkowych na technicznie czystym tytanie zaproponowano borowanie laserowe. Zastosowano obróbkę dwustopniową. Najpierw powierzchnia materiału podłoża (tytan Grade 2) została pokryta pastą zawierającą bor amorficzny. Następnie powierzchnię przetapiano wiązką laserową. Ścieżki laserowe wytwarzano na powierzchni walcowej próbki za pomocą lasera CO2 jako ścieżki wielokrotne po linii śrubowej. Otrzymana mikrostruktura składała się z następujących stref: strefa przetopiona, strefa wpływu ciepła i podłoże. Strefa przetopiona charakteryzowała się jednolitą grubością i dużą twardością (1300÷2100 HV). Zbadano odporność na ścieranie warstw borowanych laserowo i porównano ją do odporności czystego tytanu. Zaobserwowano znaczną poprawę odporności na zużycie w efekcie borowania laserowego. Laserowo borowane próbki powodowały katastroficzne zużycie przeciwpróbki. Prawdopodobnie oddzielone cząstki przeciwpróbki, zwłaszcza węgliki WC i TiC, powodowały przyspieszone zużycie warstw borowanych laserowo. W przypadku czystego tytanu zaobserwowano znacznie większy względny ubytek masy próbki, a zużycie przeciwpróbki było niewielkie.

Słowa kluczowe

EN

laser boriding; titanium Grade 2; microstructure; hardness; wear resistance

PL

borowanie laserowe; tytan Grade 2; mikrostruktura; twardość; odporność na zużycie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 678--681
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dziarski P.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Makuch N.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Kulka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Molinari A., Staffelini G., Tesi B., Bacci T.: Dry sliding mechanism of the Ti6Al4V alloy. Wear 208 (1997) 105÷112.
• [2] Atar E., Kayali E. S., Cimenoglu H.: Characteristics and wear performance of borided Ti6Al4V alloy. Surf. Coat. Technol. 202 (2008) 4583÷4590.
• [3] Kartal G., Timur S., Urgen M., Erdemir A.: Electrochemical boriding of titanium for improved mechanical properties. Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 3935÷3939.
• [4] Long M., Rack H. J.: Titanium alloys in total joint replacement – A materials science perspective. Biomaterials 19 (18) (1998) 1621÷1639.
• [5] Lombardi A. V. Jr., Mallory T. H., Vaughn B. K., Drouillard P.: Aseptic loosening in total hip arthroplasty secondary to osteolysis induced by wear debris from titanium-alloy modular femoral heads. J. Bone Jt. Surg. 71 (9) (1989) 1337÷1342.
• [6] Sarman B., Ravi Chandran K. S.: Accelerated kinetics of surface hardening by diffusion near phase transition temperature: Mechanism of growth of boride layers on titanium. Acta Materialia 59 (2011) 4216÷4228.
• [7] Tikekar N. M., Ravi Chandran K. S., Sanders A.: Nature of growth of dual titanium boride layers with nanostructured titanium boride whiskers on the surface of titanium. Scripta Materialia 57 (2007) 273÷276.
• [8] Sarman B., Tikekar N. M., Ravi Chandran K. S.: Kinetics of growth of superhard boride layers during solid state diffusion of boron into titanium. Ceramics International 38 (2012) 6795÷6805.
• [9] He L., Zhang X., Tong C.: Surface modification of pure titanium treated with B4C at high temperature. Surf. Coat. Technol. 200 (2006) 3016÷ 3020.
• [10] Anthymidis K. G., Tsipas D. N., Stergioudis E.: Boriding of titanium alloys in a fluidized bed reactor. Journal of Materials Science Letters 20 (2001) 2067÷2069.
• [11] Kaestner P., Olfe J., Rie K.-T.: Plasma-assisted boriding of pure titanium and TiAl6V4. Surf. Coat. Technol. 142-144 (2001) 248÷252.
• [12] Gołębiewski M., Krużel G., Major R., Mróz W., Wierzchoń T., Ebner R., Major B.: Morphology of titanium nitride produced using glow discharge nitriding, laser remelting and pulsed laser deposition. Materials Chemistry and Physics 81 (2003) 315÷318.
• [13] Fleszar A., Wierzchoń T., Kyu Kim S., Sobiecki J. R.: Properties of surface layers produced on the Ti-6Al-3Mo-2Cr titanium alloy under glow discharge conditions. Surf. Coat. Technol. 131 (2000) 62÷65.
• [14] Sobiecki J. R., Wierzchoń T.: Glow discharge assisted oxynitriding of the binary Ti6Al2Cr2Mo titanium alloy. Vacuum 79 (2005) 203÷208.
• [15] Frączek T., Olejnik M., Tokarz A.: Evaluation of plasma nitriding efficiency of titanium alloys for medical applications. Metalurgija 48 (2) (2009) 83÷86.
• [16] Garbacz H., Wieciński P., Ossowski M., Ortore M. G., Wierzchoń T., Kurzydłowski K. J.: Surface engineering techniques used for improving the mechanical and tribological properties of the Ti6A14V alloy. Surf. Coat. Technol. 202 (2008) 2453÷2457.
• [17] Major B.: Chapter 7: Laser processing for surface modification by remelting and alloying of metallic systems in “Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques”. Edited by Yves Paleau, Elsevier (2006).
• [18] Saleh A. F., Abboud J. H., Benyounis K. Y.: Surface carburizing of Ti-6Al-4V alloy by laser melting. Opt. Lasers Eng. 48 (2010) 257÷267.
• [19] Filip R., Sieniawski J., Pleszakov E.: Formation of surface layers on Ti-6Al-4V titanium alloy by laser alloying. Surf. Eng. 22 (1) (2006) 53÷57.
• [20] Tian Y. S., Zhang Q. Y., Wang D. Y.: Study on the microstructures and properties of the boride layers laser fabricated on Ti-6Al-4V alloy. J. Mater. Process. Technol. 209 (2009) 2887÷2891.
• [21] Guo C., Zhou J., Zhao J., Guo B., Yu Y., Zhou H., Chen J.: Microstructure and friction and wear behaviour of laser boronizing composite coatings on titanium substrate. Appl. Surf. Sci. 257 (2011) 4398÷4405.
• [22] Tian Y. S., Zhang Q. Y., Wang D. Y., Chen C. Z.: Analysis of the growth morphology of TiB and the microstructure refinement of the coatings fabricated on Ti-6Al-4V by laser boronizing. Cryst. Growth Des. 8 (2) (2008) 700÷703.
• [23] Tian Y. S.: Growth mechanism of the tubular TiB crystals in situ formed in the coatings laser-borided on Ti-6Al-4V alloy. Mater. Lett. 64 (2010) 2483÷2486.
• [24] Kulka M., Makuch N., Dziarski P., Przestacki D.: Laser-borided layer formed on Inconel 600 alloy. Inżynieria Materiałowa 6 (2013) 733÷736.