Analysis of Structural, Micromechanical, and Tribological Properties of the Ti-6Al-4V ELI Alloy after Thermal Oxidation

• Autorzy: Aniołek Krzysztof , Barylski Adrian

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.9065

Warianty tytułu

PL

Analiza właściwości strukturalnych, mikromechanicznych i tribologicznych stopu Ti-6Al-4V ELI po utlenianiu termicznym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the structural, micromechanical, and tribological characteristics of the Ti-6Al-4V ELI alloy after thermal oxidation at 575°C (50 h), 625°C (50 h), and 675°C (20 h). The study showed that the oxide layers obtained on the Ti-6Al-4V ELI alloy were of a good quality and had a varied microstructure depending on the oxidation parameters. It was found that an increase in oxidation temperature was a determinant of oxide particles’ size and continuity of the coating. The Ti-6Al-4V ELI alloy displayed better micromechanical and tribological characteristics after thermal oxidation. Surface hardness of the alloy almost doubled (by approx. 4 GPa), improving tribological characteristics. Volumetric wear reduction of the investigated Ti-6Al-4V ELI alloy after oxidation ranged from 25 to 37%. The oxide film obtained at 625°C (50 h) offered the most favorable tribological properties. It was also evidenced that the presence of oxide layers on the Ti-6Al-4V ELI alloy led to an increase in the value of the coefficient of friction.

PL

W pracy przedstawiono charakterystykę właściwości strukturalnych, mikromechanicznych i tribologicznych stopu Ti-6Al-4V ELI po utlenianiu termicznym. Proces utleniania realizowano w temperaturze 575°C (50 h), 625°C (50 h) i 675°C (20 h). W badaniach wykazano, że warstwy tlenkowe otrzymane na stopie Ti-6Al-4V ELI charakteryzowały się dobrą jakością oraz zróżnicowaną mikrostrukturą zależną od parametrów utleniania. Stwierdzono, że wzrost temperatury utleniania był czynnikiem determinującym rozmiar cząstek tlenków oraz ciągłość pokrycia. Stop Ti-6Al-4V ELI po procesie utleniania termicznego charakteryzował się lepszymi charakterystykami mikromechanicznymi i tribologicznymi. Stwierdzono nawet 2-krotny wzrost twardości powierzchniowej (o ok. 4 GPa) badanego stopu, co korzystnie przełożyło się na poprawę charakterystyk tribologicznych. Redukcja zużycia objętościowego stopu Ti-6Al-4V ELI po utlenianiu wynosiła od 25 do 37%. Najlepszymi właściwościami tribologicznymi charakteryzowała się warstwa tlenkowa otrzymana w temperaturze 625°C (50 h). Wykazano również, że obecność warstw tlenkowych na stopie Ti-6Al-4V ELI prowadziła do wzrostu wartości współczynnika tarcia.

Słowa kluczowe

EN

Ti-6Al-4V ELI; thermal oxidation; oxide layer; microindentation; friction; wear

PL

Ti-6Al-4V ELI; utlenianie termiczne; warstwa tlenkowa; mikrotwardość; tarcie; zużycie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 3
• Strony: 7--14
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., fot., rys., wykr.

Twórcy

autor

Aniołek Krzysztof

• University of Silesia, Faculty of Science and Technology, Institute of Materials Engineering, 75 Pułku Piechoty 1a Str., 41-500 Chorzów, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5382-2038

autor

Barylski Adrian

• University of Silesia, Faculty of Science and Technology, Institute of Materials Engineering, 75 Pułku Piechoty 1a Str., 41-500 Chorzów, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1863-1471

Bibliografia

• 1. Chang M.-C., Luo C.-W., Huang M.-S., Ou K.-L., Lin L.-H., Cheng H.-C.: High-temperature microstructural characteristics of a novel biomedical titanium alloy. Journal of Alloys and Compounds 499, 2010, pp. 171–175.
• 2. Wang H., Xin S., Zhao Y., Zhou W., Zeng W.: Plane strain fracture behavior of a new high strength Ti–5Al–3Mo–3V–2Zr–2Cr–1Nb–1Fe alloy during heat treatment. Materials Science & Engineering A 797, 2020, p. 140080.
• 3. Luo Y., Chen W., Tian M., Teng S.: Thermal oxidation of Ti6Al4V alloy and its biotribological properties under serum lubrication. Tribology International 89, 2015, pp. 67–71.
• 4. Gabriel S. B., Panaino J. V. P., Santos I.D., Araujo L. S., Mei P. R., De Almeida L. H., Nunes C. A.: Characterization of a new beta titanium alloy, Ti–12Mo–3Nb, for biomedical applications. Journal of Alloys and Compounds 536S, 2012, pp. S208– S210.
• 5. Wang C., Zhang Y., Zhang H., Liu J., Sun Z., Fu X., Zhou W., Ding L., Jia Z.: Stress-dependent subsurface structural transformations of gradient nanograin Ti-6Al-4V alloy and its impact onwear behavior. Journal of Materials Research and Technology 26, 2023, pp. 8721–8737.
• 6. Dai J., Zhu J., Chen C., Weng F.: High temperature oxidation behavior and research status of modifications on improving high temperature oxidation resistance of titanium alloys and titanium aluminides: A review. Journal of Alloys and Compounds 685, 2016, pp. 784–798.
• 7. Correa D. RN., Grandini C. R., Rocha L. A., Proença J. P., Sottovia L., Cruz N. C., Rangel E. C., Hanawa T.: Effect of temperature on thermal oxidation behavior of biomedical Ti-Zr-Mo alloys. Journal of Alloys and Compounds 905, 2022, p. 164202.
• 8. Aniołek K., Barylski A., Kupka M.: Modelling the structure and mechanical properties of oxide layers obtained on biomedical Ti-6Al-7Nb alloy in the thermal oxidation process. Vacuum 154, 2018, pp. 309–314.
• 9. Pitchi C. S., Priyadarshini A., Narala S. K. R.: Influence of cooling kinetics on surface texture, hydrophilicity and scratch resistance of the oxide layers produced by thermal oxidation on Ti-6Al-4V. Surface & Coatings Technology 450, 2022, pp. 128956.
• 10. Bocchetta P., Chen L.-Y., Tardelli J. D. C., Dos Reis A. C., Almeraya-Calderón F., Leo P.: Passive layers and corrosion resistance of biomedical Ti-6Al-4V and β-Ti alloys. Coatings 11, 2021, p. 487.
• 11. Mishra R. R., Kumar R., Sahoo A. K., Panda A.: Machinability behaviour of biocompatible Ti-6Al4V ELI titanium alloy under flood cooling environment. Materials Today: Proceedings 23 (3), 2020, pp. 536–540.
• 12. ISO 14577-1:2015. Metallic materials – Instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 1: Test method.
• 13. ASTM E2546. Standard Practice for Instrumented Indentation Testing.
• 14. Oliver W. C., Pharr G. M.: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Research 7, 1992, pp. 1564–1583.
• 15. Aniołek K., Kupka M., Barylski A.: Characteristics of the tribological properties of oxide layers obtained via thermal oxidation on titanium Grade 2. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology 233(1), 2019, pp. 125–138.
• 16. Biswas A., Majumdar J.D.: Surface characterization and mechanical property evaluation of thermally oxidized Ti-6Al-4V. Materials Characterization 60, 2009, pp. 513-518.
• 17. Aniołek K., Kupka M., Łuczuk M., Barylski A.: Isothermal oxidation of Ti-6Al-7Nb alloy. Vacuum 114, 2015, pp. 114–118.
• 18. Kumar S., Sankara Narayanan T. S. N., Sundara Raman S. G., Seshadri S. K.: Thermal oxidation of Ti6Al4V alloy: Microstructural and electrochemical characterization. Materials Chemistry and Physics 119, 2010, pp. 337–346.
• 19. Wang S., Liao Z., Liu Y., Liu W.: Influence of thermal oxidation temperature on the microstructural and tribological behavior of Ti6Al4V alloy. Surface & Coatings Technology 240, 2014, pp. 470–477.
• 20. Kokaly M. T., Tran D. K., Kobayashi A. S., Dai X., Patel K., White K. W.: Modeling of grain pull-out forces in polycrystalline alumina. Materials Science and Engineering A285, 2000, pp. 151–157.
• 21. Arslan E., Totik Y., Demirci E., A. Alsaran A.: Influence of surface roughness on corrosion and tribological behavior of CP-Ti after thermal oxidation treatment. Journal of Materials Engineering and Performance 19(3), 2010, pp. 428–433.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).