Analytical TEM and AFM studies of nitrided multilayer titanium-base biomaterials

• Autorzy: Czyrska-Filemonowicz A. , Buffat P.A. , Łucki M. , Moskalewicz T. , Wierzchoń T.

Warianty tytułu

PL

Analityczna TEM i AFM w badaniach azotowanych wielowarstwowych biomateriałach tytanowych

• Konferencja: Advanced Materials and Technologies, AMT'2004 : XVII Physical Metallurgy and Materials Science Conference (XVII; 20-24.06.2004; Łódź, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The micro/nanostructure of the Ti-base alloys (Ti-1Al-1Mn and Ti-6Al-4V) nitrided under glow discharge was characterised using light microscopy, scanning- and analytical transmission electron microscopy (TEM). TEM investigations revealed a very complex multilayered microstructure produced by diffusion at 850°C and 900°C. The delta-TiN, Ti2N and alpha (N) solid solution containing up to 19 at% nitrogen were identified in the nitrided multilayer formed on Ti-1Al-1Mn alloy. The layers formed on the Ti-6Al-4V alloy contain, besides the phases mentioned above, also the Ti2AlN and other minor phases. The topography of the nitrided alloys was investigated by means of atomic force microscopy (AFM). The investigation shows that the nitrided layers present a high degree of surface development. A relationship between the microstructure of the investigated alloys, their micro-mechanical and tribological properties is established. It is shown that the improved properties are related to the presence of nanocrystalline TiN in the outmost sublayer on the top of Ti2N layers that is produced by nitriding under glow discharge on both investigated alloys.

PL

Materiałem do badań były stopy tytanu (Ti-1Al-1Mn i Ti-6Al-4V) azotowane w warunkach wyładowania jarzeniowego. Za pomocą mikroskopu świetlnego, skaningowego- i analitycznego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) przeprowadzono szczegółową charakterystykę mikro/nanostruktury. Badania wykonane przy użyciu TEM ujawniły złożoną mikrostrukturę warstw azotowanych wytworzonych w temperaturach 850 i 900°C. W warstwie azotowanej wytworzonej na stopie Ti-1Al-1Mn zidentifikowano następujące fazy delta-TiN, Ti2N i roztwór stały alfa (N) zawierający do 19% at azotu. Warstwa wytworzona na stopie Ti-6Al-4V oprócz w/w faz zawierała również Ti2AlN oraz inne fazy. Pomiary topografii powierzchni wykonane za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM) wykazały, że warstwy azotowane mają duży stopień rozwinięcia powierzchni. Stwierdzono występowanie wyraźnej korelacji pomiędzy mikrostrukturą azotowanych stopów tytanu, a ich właściwościami mikro-mechanicznymi i tribologicznymi. Wykazano, że poprawa tych właściwości w obu badanych stopach wynika z obecności zewnętrznej nanokrystalicznej podwarstwy TiN wytworzonej przez azotowanie w warunkach wyładowania jarzeniowego.

Słowa kluczowe

PL

biomateriały tytanowe; stop tytanu; warstwa azotowana; mikrostruktura; TEM; AFM

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2004
• Tom: R. XXV, nr 3
• Strony: 335--338
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Czyrska-Filemonowicz A.

• AGH University of Science and Technology, Cracow

autor

Buffat P.A.

• AGH University of Science and Technology, Cracow

autor

Łucki M.

• AGH University of Science and Technology, Cracow

autor

Moskalewicz T.

• AGH University of Science and Technology, Cracow

autor

Wierzchoń T.

• Warsaw University of Technology, Warsaw

Bibliografia

• [1] Czarnowska E., Wierzchoń T., Maranda-Niedbała A., Kaczmarewicz E.: Improvement of titanium alloy for biomedical application by nitriding and carbonitriding processes under glow discharge conditions. Journal of Materials Science, 11(2000)73-81
• [2] Wierzchoń T.: Surface Engineering of titanium alloys: new prospective application. Materials Science Forum, 4256- 423(2003)2563-2568
• [3] Stadelman P.: JEMS Java Electron Microscopy Software, http://cimewww.epfl.ch/people/stadelmann/jemsWebSite/jems.html
• [4] Czyrska-Filemonowicz A, Buffat P.A., Moskalewicz T, Spiradek- Hahn K.: Analytical TEM and SFM characterisation of the multilayered titanium biomaterials. Proceedings of the International Seminar on Nanotechnology for Fabrication of Hybrid Materials, 6- 9.11.2002, Toyama, Japan, pp. 43-46
• [5] Biel M., Łucki M., Moskalewicz T., Lekki J., Wierzchoń T., Czyrska- Filemonowicz A.: TEM and SFM investigation of nitrided Ti-lAllMn alloy for medical applications. Materials Chemistry and Physics, 81(2003)430-433
• [6] Moskalewicz T., Rakowski W., Czyrska-Filemonowicz A.: Microstructure and micro-mechanical properties of titanium biomaterials. Engineering of biomaterials, 23-25 (2002) 33-38
• [7] Łucki M.: Korelacja mikrostruktury z właściwościami mechanicznymi stopów tytanu po azotowaniu jarzeniowym w aspekcie ich zastosowania na endoprotezy stawu biodrowego. PhD thesis, AGH University of Science and Technology, in preparation
• [8] Brunette D.M., Tengvall P., Textor M., Thomsen P.: Titanium in Medicine, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 2001, ISBN 3-540-66936-1
• [9] Wennerberg A.: The role of surface roughness for implant incorporation in bone. Cells and Materials, 9(1999)1-19