Environmental degradation of ti alloys in artificial saliva and a role of fluorides

• Autorzy: Zieliński A. , Świeczko-Żurek B. , Ossowska A.

Warianty tytułu

PL

Niszczenie środowiskowe stopów tytanu w sztucznej ślinie i rola fluorków

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper proposes a physical-chemical model, which shows the contribution of fluoride ions in degradation of Ti alloys, by enhancing localized corrosion, facilitating hydrogen entry and promoting hydriderelated embrittlement. The first results were obtained for the Ti6Al4V alloy by electrochemical tests. The tests were carried out in artificial saliva according to the ISO 10271, composed of (in wt. pct.): 0.4 NaCl, 0.4 KCl, 0.795 CaCl2, 0.78 NaH2PO4, 0.005 Na2S and 1% of urea. The solutions were adjusted to pH 7, 5 and 3 with hydrochloric acid. The potentiodynamic tests were made from cathodic and then into anodic direction, at 10 mV/min voltage change rate. Potential-current curves were used to estimate the corrosion potential and current, and passivation potential and current. Weak effect of pH was observed (Fig. 1, 2 and Tab. 1). The slow strain rate tests were performed on two-phase (α +β )Ti13Zr13Nb alloy at 10–5 s–1 strain rate. The tests were made either in laboratory air or in artificial saliva solution, with or without 0.1 mass pct. of HF, at open circuit potential or at cathodic polarisation of current density 100 A/m2. The another artificial saliva solution was prepared of (in g/dm3): 1.2 NaCl, 1.2 KCl, 6.015 Na2S, 4.14 Na2HPO4, 2.04 CaCl2, urea 3.0 CO(NH2)2, lactic acid 29.1. The results demonstrated the decrease in strength and plasticity at cathodic polarisation, deeper in the presence of fluorides (Tab. 2). The SEM examinations showed that in the presence of either fluorides or cathodic polarisation, ductile cracking occured accompanied by initiation and propagation of brittle transcrystalline main crack with a few other secondary cracks (Figs. 3÷8). The electrochemical oxidation was made on the Ti13Zr13Nb alloy in orthophosphoric acid (1 M H3PO4) with an addition of 0.5% of HF. The constant voltage 20 V and oxidation time 1 h were applied. The appearance of nanotubular oxide layer was observed (Fig. 9, 10), which is an evidence of localized corrosion attributed to fluoride ions. The obtained results of slow strain rate tests of the Ti alloy, and the appearance and intensity of brittleness, can be explained in terms of environment-related hydrogen cracking. The model of hydrogen degradation involves the following mechanisms: (i) hydrogen evolution at interface liquid-metal, (ii) hydrogen entry into metal, (iii) hydrogen diffusion into some regions of the highest tensile stresses, (iv) hydrogenenhanced crack initiation and propagation, presumably by hydride formation and decomposition.

PL

Publikacja proponuje model fizykochemiczny ukazujący wkład jonów fluorkowych do procesu degradacji stopów tytanu przez zapoczątkowanie korozji lokalnej, ułatwianie wejścia wodoru i pojawienie się kruchości wodorowej. Pierwsze wyniki zostały otrzymane dla stopu Ti6Al4V za pomocą technik elektrochemicznych. Badania wykonano w sztucznej ślinie o składzie wg ISO 10271 (% mas.): 0,4 NaCl, 0,4 KCl, 0,795 CaCl2, 0,78 NaH2PO4, 0,005 Na2S i 1% mocznika. Badano roztwory o wartościach pH 7, 5 lub 3, uzyskanych przez dodatek kwasu HCl. Krzywe potencjodynamiczne mierzono najpierw w katodowym, a następnie w anodowym kierunku, przy szybkości zmiany potencjału 10 mV/min; zależności potencjał- prąd posłużyły do określenia potencjału i prądu korozji oraz potencjału i prądu pasywacji. Obserwowano słaby wpływ pH (rys. 1, 2 i tab. 1). Badania przy stałym wolnym rozciąganiu wykonano na dwufazowym (α +β ) stopie Ti13Zr13Nb przy szybkości odkształcania 10–5 s–1. Jako środowisko zastosowano powietrze laboratoryjne i sztuczną ślinę, bez lub z dodatkiem 0,1% mas. HF, w warunkach obwodu otwartego lub przy polaryzacji katodowej o gęstości prądu 100 A/m2. Sztuczna ślina w tym przypadku miała skład (w g/dm3): 1,2 NaCl, 1,2 KCl, 6,015 Na2S, 4,14 Na2HPO4, 2,04 CaCl2, mocznik 3,0 CO(NH2)2, 29,1 kwas mlekowy. Wyniki pokazały spadek wytrzymałości i plastyczności przy katodowej polaryzacji, szczególnie silny w obecności fluorków (tab. 2). Badania wykazały, że w obecności fluorków lub polaryzacji katodowej zniszczeniu makroskopowo plastycznemu towarzyszy inicjacja i rozwój kruchego pęknięcia głównego z kilkoma pęknięciami wtórnymi. Utlenianie elektrochemiczne wykonano na stopie Ti13Zr13Nb w 1 M kwasie ortofosforowym z dodatkiem 0,5% HF. Zastosowano stałe napięcie 20 V i czas utleniania 1 h. Obserwowano pojawienie się nanorurkowej warstwy tlenkowej (rys. 9, 10), co jest dowodem na korozję lokalną wywołaną przez jony fluorkowe. Wyniki testów powolnego rozciągania w środowisku korozyjnym oraz pojawianie się i intensywność oznak kruchego pękania można tłumaczyć, bazując na modelu niszczenia zależnego od środowiska. Model niszczenia wodorowego zakłada kolejny przebieg następujących procesów: powstawanie wodoru na granicy międzyfazowej ciecz-metal, wnikanie wodoru do metalu, dyfuzja wodoru do obszarów o najwyższym poziomie naprężeń rozciągających, wywoływana przez wodór inicjacja i propagacja kruchych pęknięć, przypuszczalnie przez tworzenie i pękanie kruchych faz wodorkowych.

Słowa kluczowe

EN

biomaterials; titanium alloys; hydrogen degradation; corrosion

PL

biomateriały; stopy tytanu; niszczenie wodorowe; korozja

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 35, nr 2
• Strony: 225--230
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Zieliński A.

• Faculty of Mechanical Engineering, Gdańsk University of Technology

autor

Świeczko-Żurek B.

• Faculty of Mechanical Engineering, Gdańsk University of Technology

autor

Ossowska A.

• Faculty of Mechanical Engineering, Gdańsk University of Technology

Bibliografia

• [1] Okazaki Y., Gotoh E., Manabe T., Kobayashi K.: Comparison of metal concentrations in rat tibia tissues with various metallic implants, Biomaterials 28 (2004) 5913÷6025.
• [2] Koike M., Fuji H.: The corrosion resistance of pure titanium in organic acids. Biomaterials 22 (2001) 2931÷2936.
• [3] Khan M. A., Williams R. L., Williams D. F.: Conjoint corrosion and wear in titanium alloys. Biomaterials 20 (1999) 765÷772.
• [4] Okazaki Y., Gotoh E.: Comparison of metal release from various metallic biomaterials in vitro. Biomaterials 26 (2005) 11÷21.
• [5] Cai Z., Nakajima H., Woldu M., Berglund A., Bergman M., Okade T.: In vitro corrosion resistance of titanium made using different fabrication methods. Biomaterials 20 (1999) 183÷190.
• [6] Reclaru L., Meyer J.-M.: Effects of fluoridum on titanium. Biomaterials 19 (1998) 85÷92.
• [7] Strietzel R., Hösch A., Kalbßeisch H., Buch D.: In vitro corrosion of titanium. Biomaterials 19 (1998) 1495÷1499.
• [8] Schiff N., Grosgogeat B., Lissac M., Dalard F.: Influence of fluoride content and pH on the corrosion resistance of titanium and its alloys. Biomaterials 23 (2002) 1995÷2002.
• [9] Takemoto S., Hattori M., Yoshinari M., Kawada E., Oda Y.: Corrosion behaviour and surface characterization of titanium in solution containing fluoride and albumin. Biomaterials 26 (8) (2005) 829÷837.
• [10] Kaneko K., Yokoyama K., Moriyama K., Asaoka K., Sakai J., Nagumo M.: Delayed fracture of beta titanium orthodontic wire in fluoride aqueous solutions. Biomaterials 24 (2003) 2113÷2120.
• [11] Ogawa T., Yokoyama K., Asaoka K., Sakai J.: Hydrogen absorption behavior of beta titanium alloy in acid fluoride solutions. Biomaterials 25 (12) (2004) 2419÷2425.
• [12] Huang H. H., Degradation and fracture of Ni-Ti superelastic wire in an oral cavity. Biomaterials 22 (2001) 2257÷262.
• [13] Yokoyama K., Kaneko K., Ogawa T., Moriyama K., Asaoka K., Sakai J.: Hydrogen embrittlement of work-hardened Ni-Ti alloy in fluoride solutions. Biomaterials 26 (1) (2005) 101÷108.
• [14] Wang Y. Q., Hu G. Q., Sun H. L., Xue Q. K.: Microstructure and formation mechanism of titanium dioxide nanotubes. Chemical Physics Letters 365 (5-6) (2002) 427÷431.
• [15] Wang N., Lin H., Li J., Yang X., Chi B.: Electrophoretic deposition and optical property of titania nanotubes films. Thin Solid Films 496 (2006) 649÷652.
• [16] Macak J. M., Tsuchiya H., Chicov A., Yasuda K., Hahn R., Bauer S., Schmuki P.: TiO 2 nanotubes: Self-organized electrochemical formation, properties and applications. Current Opinion in Solid State and Materials Science 11 (1-2) (2007) 3÷18.
• [17] Lee B.-G., Choi J.-W., Lee S.-E., Jeong Y.-S., Oh H.-J., Chi Ch.-S.: Formation behaviour of anodic TiO 2 nanotubes in fluoride containing electrolytes. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 19 (2009) 842÷845.
• [18] Demczuk A., Swieczko-Zurek B., Ossowska A.: Corrosion resistance examinations of Ti6Al4V alloy with the use of potentiodynamic method in Ringer`s and artificial saliva solutions. Adv. Mater. Sci. 11 (4) (2011) 35÷42.
• [19] Zieliński A., Zborowski Ł.: Environmental degradation of titanium alloy in artificial saliva. Adv. Mater. Sci. 12 (3) (2012) 5÷15.
• [20] Baba A. A., Adekola F. A., Toye E. E., Bale R. B.: Disolution kinetics and leaching in of rutile ore hydrochloric acid. J. Miner. Mater. Charact. Eng. 10 (8) (2009) 787÷801.