Mikrostruktura i właściwości nanokrystalicznego tytanu

• Autorzy: Garbacz H.

Warianty tytułu

EN

Microstructure and properties of nanocrystalline titanium

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przeprowadzono analizę właściwości użytkowych nanokrystalicznego tytanu (n-Ti) na przykładzie materiału otrzymanego metodą wyciskania hydrostatycznego. Ustalono wpływ czynników mikrostrukturalnych na właściwości mechaniczne, odporność na korozję, a także biozgodność i zużycie tribologiczne. Materiałami odniesienia były mikrokrystaliczny tytan i stop Ti6Al4V. Omówiono metody wytwarzania nanokrystalicznego tytanu, w przypadku których wykorzystuje się duże odkształcenie plastyczne. Uzyskane wyniki badań potwierdziły dużą efektywność w tym zakresie wyciskania hydrostatycznego. Nanokrystaliczny tytan wytwarzany metodą wyciskania hydrostatycznego charakteryzuje się dużą wytrzymałością na rozciąganie, porównywalną z wytrzymałością stopów tytanu, zachowując przy tym zadowalającą plastyczność. Stwierdzono, że szczególną zaletą n-Ti ze względu na potencjalne zastosowania na implanty jest jego wytrzymałość właściwa, znacznie większa od wytrzymałości mikrokrystalicznego tytanu i stopu Ti6Al4V. Wykazano, że wpływ nanostruktury na wartość modułu sprężystości stanowi zagadnienie wieloaspektowe i wymaga dalszej weryfikacji poprzez zastosowanie innych metod eksperymentalnych. Podjęto również badania stabilności cieplnej nanokrystalicznego tytanu. Określono wartość temperatury homologicznej, do której właściwości mechaniczne n-Ti nie ulegają zmianie. Zaobserwowano także, że rozdrobnienie ziarna do rozmiarów nanometrycznych zwiększa wytrzymałość zmęczeniową tytanu. Ustalono, że wpływ umocnienia granicami ziaren jest w tym przypadku słabszy w porównaniu z umocnieniem roztworowym tytanu. Otrzymane wyniki wskazują, że w układach tarciowych z polietylenem n-Ti charakteryzuje się mniejszym współczynnikiem tarcia od mikrokrystalicznego tytanu i stopu Ti6Al4V. Stwierdzono, że nanokrystaliczny tytan zachowuje się w środowiskach symulujących płyny ustrojowe podobnie do mikrokrystalicznego tytanu. Warstwa pasywna na n-Ti ma jednak lepsze właściwości ochronne, wynikające z większej prędkości jej odbudowy. W badaniach biologicznych nie zaobserwowano wyraźnego wpływu nanostruktury na wzrost biozgodności tytanu, choć analiza budowy i morfologii komórek wskazuje na większe zaawansowanie procesu kolonizacji komórek osteoblastów na nanokrystalicznym podłożu. Wykazano, że właściwości użytkowe nanokrystalicznego tytanu mogą być kształtowane poprzez obróbkę powierzchniową odpowiednio dobraną do danego zastosowania.

EN

The study was devoted to an analysis of performance properties of nanocrystalline titanium (n-Ti), produced by menas of hydrostatic extrusion. The effect of microstructural factors on mechanical properties, corrsion resistance, biocompatibility and tribological wear was examined and discussed. Reference materials taken were micro-crystalline titanium and the Ti6Al4V titanium alloy. The methods of producing nanocrystalline titanium using the severe plastic deformation technique are described. The results obtained confirm that hydrostatic extrusion is highly effective in this respect. Nanocrystalline titanium produced by hydrostatic extrusion shows high tensile strenght, comparable with that of titanium alloys, and, at the same taime, the material preserves satisfactory plasticity. In view of the possible application of nanocrystalline titanium for the manufacture of implants into the human body, it is of particular importance that the specific strenght on n-Ti appears to exceed considerably those of both microcrystalline titanium and the Ti6Al4V alloy. It was shown that the dependence of the elastic module of n-Ti on the microstructure has many aspects and should be verified in further investigations. The cognitive aspects of the study also included the problem of thermal stability of nanocrystalline titanium. This was examined on the basis of hardness measurements. The value of temperature until which the properties of n-Ti are stable were determined. It has also been found that grain refinement to a nanometric sixe improves fatigue strength of titanium, but the effect of grain size is weaker compared to alloying effect. The results of friction tests, on the other hand, indicate that, in a n-Ti/polyethylene frictional pair, the friction coefficient of n-Ti is smaller than that of microcrystalline titanium and the Ti6Al4V alloy. In the environment simulating body fluids, n-Ti behaves similary to microcrystalline titanium. The passive layer formed on n-Ti has, however, better protective properties since it is rebuilt in a shorter time. In biological examinations, no evident effect of nanostructure on biocompatibility was observed, although an analysis of the structure and morphology of cells indicates that the colonization of osteoblast cells on the nanocrystalline substrate is more advanced. It has been demostrated that the performance properties of nanocrystalline titanium can be modified by subjecting it to various surface engineering treatments tailored to the demands of a given application.

Słowa kluczowe

PL

tytan; nanomateriały; odkształcenie plastyczne; mikrostruktura; właściwości mechaniczne; odporność na korozję; biozgodność

EN

titanium; nanomaterials; severe plastic deformation; microstructure; mechanical properties; corrosion resistance; biocompatibility

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2010
• Tom: z. 25
• Strony: 3--147
• Opis fizyczny: Bibliogr. ????? poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Garbacz H.

• Wydział Inżynierii Materiałowej

Bibliografia

• [1] M. Nowicki, Lasery w technologii elektronowej i obróbce materiałów, WNT, Warszawa 1978.
• [2] T. Burakowski, J. Marczak. W. Napadłek, A. Sarzyński, Modyfikacja właściwości warstwy wierzchniej stopów metali falą uderzeniową generowaną impulsem laserowym - stan aktualny oraz perspektywy, Problemy Eksploatacji 3(54) (2004), s. 83-101.
• [3] G. Hammersley, L.A. Hackel, F. Harris, Surface prestressing to improve fatigue strength of components by laser shot peening, Optics and Lasers in Engineering 34 (2000), s. 327-337.
• [4] K. Ding, L. Ye, Laser shock peening. Performance and process simulation, Woodhead Publishing Limited, Cambridge 2006.
• [5] T. Burakowski, W. Napadłek, W. Przetakiewicz, Mikroobróbka laserowa w modyfikacji warstwy wierzchniej elementów silników spalinowych - wybrane aplikacje technologiczne, Inżynieria Materiałowa 4 (2010), s. 898-904.
• [6] Ch.S. Montross, T. Wei, L. Ye, G. Clark, W.Y. Mai, Laser shock processing and its effect on microstructure and properties of metal alloys; a review, Int. J. of Fatigue 24 (2002), s. 1021-1036.
• [7] K. Kosiuczenko, T. Niezgoda, W. Napadłek, Identyfikacja parametrów udarowego umacniania laserowego LSP stopu aluminium metodą odwrotną, Mechanik 5 (2008), s. 546-554.
• [8] M. Rozmus, J. Kusiński, M. Blicharski, L. Major, Laserowo odkształcona warstwa wierzchnia stopu tytanu Ti6Al4V, Inżynieria Materiałowa 5 (2009), s. 366-369.
• [9] A.H. Clauer, Laser Shock processing, Technical Bulletin No 1 (2002).
• [10] M.E. Khosroshahi, M. Mahmoodi, J. Tavakoli, Characterization of Ti6Al4V implant surface treated by Nd: YAG laser and emery paper for orthopedic applications, Applied Surface Science 253 (2007), s. 8772-8781.
• [11] S. Thompson, D. See, C. Lykins, P. Sampson, Surface performance of titanium, Metals and Materials Society (1997), s. 239-251.
• [12] N. Zaveri, M. Mahapatra, A. Deceuster, Y. Peng, L. Li, A. Zhou, Corrosion resistance of pulsed laser-treated Ti-6Al-4V implant in simulated biofluids, Electrochimica Acta 53 (2008), s. 5022-5032.
• [13] A. Gaggl, G. Schutles, W.D. Muller, H. Karcher, Scaning electron microscopical analysis of laser-treated titanium implant surface a comparative study, Biomaterials 21 (2000), s. 1067-1073.
• [14] A.Y. Vorobyev, G. Chunlei, Femtosecond structuring of titanium implants, Applied Surface Science 253 (2007), s. 7272-7280.
• [15] H. Garbacz, J. Marczak, T. Onyszczuk, K. Rożniatowski, K.J. Kurzydłowski, Wpływ obróbki laserowej na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne tytanu, Inżynieria Materiałowa 5 (2009), s. 314-317.
• [16] J.R. Asay, J. Lipkin, A self-consistent technique for estimating the dynamic yield strength of a shock-loaded material, J. of Applied Physics 49 (1978), s. 4242-4247.
• [17] T. Wierzchoń, E. Czarnowska, D. Krupa. Inżynieria powierzchni w wytwarzaniu biomateriałów tytanowych, Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004.
• [18] S.R. Paital, N.B. Dahotre, Calcium phosphate coatings for bio-implant applications: Materials, performance factors, and methodologies, Materials Science and Engineering R 66 (2009), s. 1-70.
• [19] K.J. Seu, A.P. Pandey, F. Haque, E.A. Proctor, A.E. Ribbe, J.S. Hovis, Effect of Surface Treatment on Diffusion and Domain Formation in Supported Lipid Bilayers, Biophysical J. 92 (2007), s. 2445-2450.
• [20] P.T. de Oliveira, A. Nanci, Nanotexturing of titanium-based surfaces upregulates expression of bone sialoprotein and osteopontin by cultured osteogenic cells, Biomaterials 25 (2004), s. 403-413.
• [21] X. Liu, P.K. Chu, C. Ding, Surface modification of titanium, titanium alloys and related materials for biomedical applications, Materials Science and Engineering R 47 (2004), s. 49-121.
• [22] J.H. Yi, C. Bernard, F. Variola, S.F. Zalzal, J.D. Wuest, F. Rosei, A. Nanci, Characterization of a bioactive nanotextured surface created by controlled chemical oxidation of titanium, Surface Science 600 (2006), s. 4613-4621.
• [23] M. Pisarek, M. Lewandowska, A. Roguska. K.J. Kurzydłowski, M. Janik-Czachor, SEM, Scanning Auger and XPS Characterization of chemically pretreated Ti surfaces intended for biomedical applications, Materials Chemistry and Physics 104 (2007), s. 93-97.
• [24] M. Lewandowska, A. Roguska, M. Pisarek, B. Polak, M. Janik-Czachor, K.J. Kurzydłowski, Morphology and chemical characterization of Ti surfaces modified for biomedical applications, Biomolecular Engineering 24 (2007), s. 438-442.
• [25] M. Lewandowska, H. Garbacz, W. Fabianowski, B. Polak, M. Lewandowska-Szumieł, Modyfikacje powierzchni siateczek tytanowych przeznaczonych na implanty, Inżynieria Biomateriałów 38-43 (2004), s. 60-62.
• [26] H. Garbacz, M. Lewandowska, Influence of surface modifcations on mechanical properties of titanium meshes, Inżynieria Biomateriałów 47-53 (2005), s. 124-128.
• [27] M. Łukaszewska, P. Gajdus, W. Hędzelek, R. Zagalak, Rozwój powierzchni wszczepów tytanowych. Przegląd piśmiennictwa, Implantoprotetyka 3 (2009), s. 24-29.
• [28] C. Leyens, M. Schmidt, M. Peters, W.A. Kaysser, Sputtered intermetallic Ti-Al-X coatings: phase formation and oxidation behavior, Materials Science and Engineering A 239-240 (1997), s. 680-687.
• [29] K.C. Chen, G.J. Jaung, D.c. diode ion nitriding behavior of titanium and Ti-6Al-4V, Thin Solid Films 303 (1997), s. 226-231.
• [30] A. Fleszar, T. Wierzchoń, S.K. Kim, J.R. Sobiecki, Properties of surface layers produced on the Ti-6Al-3Mo-2Cr titanium alloy under glow discharge conditions, Surface and Coatings Technology 131(2000), s. 62-65.
• [31] F. Borgioloii, E. Galvanetto, A. Fossati, G. Pradelli, Glow-discharge and furnace treatments of Ti-6Al-4V, Surface and Coatings Technology 184 (2004), s. 255-262.
• [32] A. Matthews, A. Leyland, Hybrid techniques in surface engineering, Surface and Coatings Technology 71 (1995), s. 88-92.
• [33] K.T. Rie, Resent advances in plasma diffusion processes, Surface and Coatings Technology 112 (1-2) (1999), s. 56-62.
• [34] T. Wierzchoń, Structure and properties of multicomponent and composite layers produced by combined surface engineering methods, Surface and Coatings Technology 180-181 (2004), s. 458-464.
• [35] H. Garbacz, M. Lewandowska, J. Siejka, K.J. Kurzydłowski, Wpływ wysokotemperaturowego ściskania na mikrostrukturę międzymetalicznego stopu NiAl, Inżynieria Materiałowa 4-5 (2003), s. 164-168.
• [36] J. Słoma, M. Tacikowski, H. Garbacz, T. Wierzchoń, Struktura i właściwości warstw z faz międzymetalicznych z układu Ni-Al wytwarzanych metodą multipleksową na podłożach niklowych, III Szkoła Letnia Inżynierii Powierzchni, Ameliówka k. Kielc 2004,
• [37] H. Garbacz, S. Sudershan, M. Jeardin, Modification of the TiAlNb surface at high temperature, ASM International Materials Park, Ohio (2000), s. 535-539.
• [38] T. Wierzchoń, M. Ossowski, E. Sikorska, H. Garbacz, Kształtowanie metodą dwustopniową właściwości powierzchni stopów tytanu, Inżynieria Materiałowa 6 (2003), s. 417-420.
• [39] H. Garbacz, P. Wieciński, M. Ossowski, M.G. Ortore, T. Wierzchoń, K.J. Kurzydłowski, Surface engineering techniques used for improving the mechanical and tribological properties of the Ti6A14V, Surface and Coatings Technology 202 (11) (2008), s. 2453-2457.
• [40] H. Garbacz, P. Wieciński, B. Adamczyk-Cieślak, J. Mizera, K.J. Kurzydłowski, Comparison of aluminum coatings by vacuum evaporation and magnetron sputtering, J. of Microscopy 237 (2010), s. 475-480.
• [41] H. Garbacz, Mechanical properties of nickel alloy with intermetallic layers, Inżynieria Materiałowa 341 (157-158) (2007), s. 634-635.
• [42] P. Wieciński, H. Garbacz, M. Ossowski, T. Wierzchoń, K.J. Kurzydłowski, Improvement of the mechanical and tribological properties of the Ti6A14V alloy using surface engineering techniques, Advance in Materials Science 7 (2007), s. 124-130.
• [43] H. Garbacz, M. Ossowski, P. Wieciński, T. Wierzchoń, K.J. Kurzydłowski, Mikrostruktura i właściwości warstw międzymetalicznych na stopie TA6V, Problemy Eksploatacji 1 (2007), s. 45-55.
• [44] P. Wieciński, H. Garbacz, M. Ossowski, T. Wierzchoń, K.J. Kurzydłowski, Ti-Al Intermetallic Layers Produced on Titanium Alloy by Duplex Method, Key Engineering Materials 333 (2007), s. 285-288.
• [45] H. Garbacz, P. Wieciński, T. Wierzchoń, K.J. Kurzydłowski, Effect of surface treatment on the microstructure of TA6V, Archives of Metallurgy and Materials 51 (2006), s. 625-628.
• [46] H. Garbacz, P. Widlicki, T. Wierzchoń, K.J. Kurzydłowski, Effect of the Al2O3+Ni-Al multilayer on the mechanical properties of Inconel 600 alloy, Surface and Coatings Technology 200 (2006), s. 6206-6211.
• [47] H. Garbacz, W. Pachla, T. Wierzchoń, K.J. Kurzydlowski, Processing by hydrostatic extrusion of titanium coated with aluminides, J. Solid State Phenomena 114 (2006), s 63-68.
• [48] T. Wierzchoń, H. Garbacz, M. Ossowski, Structure and properties of Ti-Al intermetallic layers produced on titanium alloys by duplex treatment, Materials Science Forum 479 (2005), s. 3883-3S86.
• [49] Z. Bojara, W. Przetakiewicz, Materiały metalowe z udziałem faz między metalicznych, BEL Studio,Warszawa 2006.
• [50] I. Kaur, Y. Mishin, W. Gust, Fundamentals of grain and interphase boundary diffusion, Wiley, Chichester 1995.
• [51] Y. Mishin, C. Herzig, J. Bernardini, W. Gust, Grain boundary diffusion: Fundamentals to recent development, International Materials Reviews 42 (155) (1997), s. 155-178.
• [52] H. Kokawa, T. Watanabe, S. Karishima, Sliding behavior and dislocation structures in aluminum grain boundaries, Philosophical Magazine A 44 (1981), s. 1239-1254.
• [53] R.W. Kelsall, I.W. Hamley, M. Geoghegan, Nanotechnologie, red. nauk. przekładu K.J. Kurzydłowski, Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2008.
• [54] H. Gleiter, Diffusion in nanostructured metals, Physica Status Solidi B 172 (1992), s. 41-51.
• [55] H. Gleiter, Nanostructured materials: state of the art and perspectives, Nanostructured Materials 6 (1-4) (1995), s. 3-14.
• [56] M. Góral, L. Swadźba, Modyfikacja powłok aluminidkowych uzyskiwanych metodą zawiesinową na nadstopach niklu, Ochrona przed korozją 4-5 (2008), s. 120-123.
• [57] H. Garbacz, Stopy na osnowie faz międzymetalicznych TiAl, Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej (2000), s. 235-240.
• [58] H. Garbacz, M. Lewandowska, Microstructural changes during oxidation of titanium alloys, Materials Chemistry and Physics 8 (2003), s. 542-547.
• [59] R. Würschum, S. Herth, U. Brossmann, Diffusion in nanocrystalline metals and alloys - A status report, Advanced Engineering Materials 5 (2003), s. 365-372.
• [60] I.A. Ovid'ko, Deformation and diffusion modes in nanocrystalline materials, Int. Materials Reviews 50 (2005), s. 65-82.
• [61] G.P. Grabovetskaya, I.V. Ratochka, Yu.R. Kolobov, L.N. Puchkareva, A comparative study of grain-boundary diffusion of copper in ultrafine-grained and coarse-grained nickel, Physics of Metals and Metallography 83 (1997), s. 112-116.
• [62] R. Würschum, K. Reimann, S. Gruss, A. Kübler, P. Scharwaechter, W. Frank, O. Kruse, H.D. Carstanjen, H.-E. Schaefer, Structure and diffusional properties of nanocrystalline Pd, Philosophical Magazine B 76 (1997), s. 407-417.
• [63] Y. Amouyal, S.V. Divinski, Y. Estrin, E. Rabkin, Short-circuit diffusion in an ultrafine-grained copper-zirconium alloy produced by equal channel angular pressing, Acta Materialia 55 (2007), s. 5968-5979.
• [64] Nanostructured Materials, Gerhard Wilde (red.), Elsevier, Amsterdam 2009.
• [65] A.A. Nazarov, A.E. Romanov, R.Z. Valiev, On the nature of high internal stresses in ultrafine grained materials, Nanostructured Materials 4 (1994), s. 93-101.
• [66] J. Lian, R.Z. Valiev, B. Baudelet, On the enhanced grain growth in ultrafine grained metals, Acta Metallurgica Materialia 41 (11) (1995), s. 4165-4170.
• [67] Yu.R. Kolobov, G.P. Grabovetskaya, M.B. Ivanov, A.P. Zhilyaev, R.Z. Valiev, Grain boundary diffusion characteristics of nanostructured nickel, Scripta Materialia 44 (6) (2001), s. 873-878.
• [68] T. Fujita, Z. Horita, T.G Langdon, Characteristics of diffusion in Al-Mg alloys with ultrafine grain sizes, Philosophical Magazine A 82 (11) (2002), s. 2249-2262.
• [69] P. Wieciński, H. Garbacz, H. Murakami, K.J. Kurzydłowski, Effect of grain size on reactive diffusion between titanium and aluminum, Physica Status Solidi C 7 (5) (2010), s. 1395-1398.
• [70] X. Peng, J. Yan, Y. Zhou, F. Wang, Effect of grain refinement on the resistance of 304 stainless steel to breakaway oxidation wear in wet air, Acta Materialia 53 (2005), s. 5070-5088.