The Influence of Ion Implantation on the Properties of Ti6Al4V Titanium Alloy in Biotribological Systems

• Autorzy: Ozimina Dariusz , Piotrowska Katarzyna , Madej Monika , Granek Arkadiusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.5895

Warianty tytułu

PL

Wpływ implantacji jonowej na właściwości stopu tytanu Ti6Al4V w systemach biotribologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article is devoted to the assessment of the geometrical structure of the surface as well as the mechanical and tribological properties of the surface layers obtained in the process of ion implantation. The titanium alloy Ti6Al4V used in biotribological systems was implanted with nitrogen and argon ions. Investigations of the geometrical structure of the surface before and after the tribological tests were carried out using confocal microscopy. The hardness of the tested materials was determined by the instrumental indentation method using a Vickers indenter. A nanotribometer was used for tribological tests. The tests were carried out in a reciprocating motion under conditions of technically dry friction and friction with the lubrication of Ringer's solution. SEM scanning microscopy was used to determine the width of the wear pattern and the wear mechanism. The conducted research showed that the hardness of the tested materials increased as a result of ion implantation. The tribological tests showed that the use of ion implantation improves the tribological properties, and the dominant wear mechanism was abrasive wear.

PL

Artykuł poświęcony jest ocenie struktury geometrycznej powierzchni oraz właściwości mechanicznych i tribologicznych warstw wierzchnich uzyskiwanych w procesie implantacji jonowej. Stop tytanu Ti6Al4V stosowany systemach biotribologicznych implantowano jonami azotu i argonu. Badania struktury geometrycznej powierzchni przed i po testach tribologicznych przeprowadzano przy użyciu mikroskopii konfokalnej. Twardość badanych materiałów wyznaczano metodą instrumentalnej indentacji przy zastosowaniu wgłębnika Vickersa. Do testów tribologicznych wykorzystano nanotribometr. Badania realizowano w ruchu posuwisto-zwrotnym w warunkach tarcia technicznie suchego oraz tarcia ze smarowaniem roztworem Ringera. Mikroskopię skaningową SEM wykorzystano do określenia szerokości śladu wytarcia oraz mechanizmu zużywania. Przeprowadzone badania wykazały, że w wyniku implantacji jonowej nastąpił wzrost twardości badanych materiałów. Testy tribologiczne wskazały, że zastosowanie implantacji jonowej wpływa na poprawę właściwości tribologicznych, a dominującym mechanizmem zużywania było zużycie ścierne.

Słowa kluczowe

EN

ion implantation; titanium alloys; SEM; friction; wear; surface texture

PL

implantacja jonowa; stopy tytanu; SEM; tarcie; zużycie; struktura geometryczna powierzchni

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 4
• Strony: 27--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Ozimina Dariusz

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

autor

Piotrowska Katarzyna

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

autor

Madej Monika

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

autor

Granek Arkadiusz

• Hospital MSWiA, Ogrodowa 11 Street, 25-024 Kielce, Poland

Bibliografia

• 1. Liu W., Liu S., Wang L.: Surface modification of biomedical titanium micromorphology, microstructure evolution biomedical applications, Coatings, 9, 249, 2019.
• 2. Niemczewska-Wójcik M., Mańkowska-Snopczyńska A., Piekoszewski W.: The tribological research of materials for use in a medical technique, Tribologia, 4, 2015, pp. 111–122.
• 3. Loska S., Szewczenko J., Held-Tyrlik J., Paszenda Z.: Biocompatibility of surface modified Ti6Al4V ELI alloy tested in SBF, Engineering of Biomaterials, 2011, pp.154–158.
• 4. Marciniak J.: Biomateriały metalowe – kierunki i prognozy rozwojowe, Advanced forming technologies and nanostructured materials, Conference Proceedings, Poznań, 2012.
• 5. Blumenthal N.C, Cosma V.: Inhibition of apatite formation by titanium and vanadium ions, J Biomed Mater Res., 1989, 23, pp.13–22.
• 6. Rautray T.R., Narayanan R., Kim K-H.: Ion implantation of titanium based biomaterials, Progress in Materials Science, 2011, 56, pp. 1137–1177.
• 7. Pieczyńska D., Ostaszewska U., Jagielski J., Bielinski D.M.: Modyfikacja polimerów za pomocą bombardowania jonowego Cz. I, Polimery, 56, 2011, pp. 439–451.
• 8. Jagielski J.: Friction properties of ion-beam modified materials: Where can we search for practical applications of ion implantation? Vacuum, 78, 2005, pp. 409–415.
• 9. Vaideeswaran K., Bohlen A., Wattenhofer T., Michl T., Yamahata C., Biselli S., Spoerl C., Griesser H., Sereda O., Dadras M.: Improvement of wear resistance of PEEK through multicharge ion implantation, Conference: Meet to Expert, CSEM Idonus, Switzerland, 2018.
• 10. Pawelec K., Baranowicz P., Wysokińska-Miszczuk J., Madej M., Skóra M.: The tribological properties of the Ti6Al4V alloy with nitrogen ion implantation, Tribologia, 1, 2019, pp. 37–47.
• 11. Rautray T.R., Narayanan R., Kim K.H.: Ion implantation of titanium based biomaterials, Progress in Materials Science, 56, 2011, pp. 1137–1177.
• 12. Kamioński M., Budzyński P.: Implantacja jonowa jako sposób konstytuowania warstwy wierzchniej podzespołów silników spalinowych, 12, 2017.
• 13. Burnat B., Błaszczyk T., Leniart A.: Anticorrosion properties of TiO2 SOL-GEL coating in relation to PH of solution and presence of serum protein, Engineering of biomaterials, 122–123, 2013, pp. 50–55.
• 14. Jagielski J., Piatkowska A., Aubert P., Thomé L. et al.: Ion implantation for surface modification of biomaterials. Surface and Coatings Technology, 200, 2006, pp. 6355–6361.
• 15. Tarnowski M., Garbacz H., Ossowski M., Wierzchoń T.: Kształtowanie właściwości użytkowych stopu tytanu Ti6Al4V w niskotemperaturowym procesie azotowania jarzeniowego. Inżynieria Materiałowa, 35, 2014, pp. 420–422.
• 16. Sulej-Chojnacka J., Wielowiejska-Giertuga A., Mróz A., Delfosse D.: Fretting corrosion of cobalt and titanium implant alloys in simulated body fluids, Tribologia, 6, 2016, pp. 149–158.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).