Ocena trybokorozji powłok ceramicznych wzmacnianych klastych laserowo na kompozytach powierzchniowych TI6Al4V

Podsumowanie

Ocenianie odporności na zużycie, mikrohardności i odporności na korozję kompozytów ze wzmocnieniem cząstkami ceramicznymi (układy Zr/TiC i Ti/TiC) w warunkach istotnych dla implantów biomedycznych (NaCl/H₂SO₄).

Streszczenie

Ten artykuł przedstawia kompleksowy protokół eksperymentalny do oceny zachowania trybokorozji kompozytów na bazie TI₆Al₄V wytwarzanych metodą dodawaniową, wzmocnionych fazami ceramicznymi za pomocą depozycji metalu laserowego (LMD). Protokół ten ma na celu zrozumienie synergistycznych mechanizmów degradacji, które pojawiają się w komponentach wystawionych na obciążenia mechaniczne i środowiska korozyjne w zastosowaniach biomedycznych i lotniczych. Protokół obejmuje kontrolowane okładanie laserowe TI₆Al₄V z wzmocnieniami Zr/TiC i Ti/TiC, a następnie szczegółową mikrostrukturalną, mechaniczną, elektrochemiczną i trybokorozjacyjną charakteryzację. Procedury obejmują obsługę proszku, przygotowanie podłoża, przetwarzanie laserowe, przygotowanie metalograficzne, mikroskopię, dyfrakcję rentgenowską, testy mikrohardości, pomiary elektrochemicznej korozji oraz testy trybokorozji przy użyciu trybometru z kulką na płycie w warunkach elektrochemicznej kontroli w elektrolicie NaCl/H₂SO₄. Metoda ta umożliwia bieżącą ocenę interakcji zużycia i korozji, w tym rozpadu warstwy pasywnej i repasywacji w warunkach ślizgowych, uwzględniając cechy mikrostrukturalne indukowane przez wytwarzanie dodawaniowe. Protokół służy jako standaryzowana ramka do oceny skuteczności strategii wzmocnienia ceramicznego w poprawie funkcjonalności metalowych systemów wytwarzanych metodą dodawaniową przeznaczonych do wymagających środowisk.

Wprowadzenie

Modyfikacja powierzchni laserowej z włączeniem faz ceramicznych jest skuteczną metodą poprawy wydajności powierzchni implantów metalowych, umożliwiając tworzenie warstw odpornych na korozję i mechanicznie wzmocnionych poprzez laserowe napylanie metalu (LMD)¹. Stop tytanu TI₆Al₄V jest szeroko stosowany w implantach biomedycznych ze względu na swoją biokompatybilność, wysoką wytrzymałość w stosunku do masy i odporność na korozję^2,3. Niemniej jednak, pozostaje podatny na korozję i tribokorozję w agresywnych środowiskach fizjologicznych, gdzie zużycie mechaniczne i degradacja elektrochemiczna mogą zakłócić działanie implantu i wywołać niekorzystne reakcje biologiczne^4,5,6,7. LMD poprawia właściwości powierzchni poprzez zlokalizowane ponowne topienie, szybkie zestalenie i włączenie faz wzmacniających, tworząc gęste, metalurgicznie połączone warstwy o dostosowanych mikrostrukturach. W porównaniu z alternatywnymi technikami, takimi jak azotowanie laserowe czy przetwarzanie wiązką elektronową, LMD oferuje elastyczność kompozycyjną, niższe koszty eksploatacyjne i szeroki dostęp^8,9,10. Te zalety sprawiają, że jest szczególnie odpowiedni dla implantów wytwarzanych metodami dodawanego wytwarzania (AM), gdzie odporność na korozję jest kluczowa dla długotrwałego działania in vivo¹⁰.

Zachowanie korozyjne i tribokorozyjne implantów AM jest wpływane przez porowatość, chropowatość powierzchni, naprężenia resztkowe i heterogeniczność mikrostrukturalną¹¹. Dlatego ocena wymaga testów elektrochemicznych w agresywnych elektrolitach (np. NaCl/H₂SO₄), uzupełnionych charakteryzacją mikrostrukturalną za pomocą SEM i EDS. Strategie pozakonsolacyjne, w tym prasowanie izostatyczne na gorąco, polerowanie powierzchni i ponowne topienie laserowe, poprawiają odporność na korozję poprzez zmniejszenie defektów i uszlachetnienie topologii powierzchni.

Wzmocnione kompozyty TI₆Al₄V zawierające Zr, Ti i TiC wykazują lepszą odporność na korozję ze względu na kombinację zwiększonej stabilności warstwy pasywnej i udoskonalenia mikrostruktury. Cyrkonium stabilizuje mieszane tlenki TiO₂ – ZrO₂, promując szybkie repasywacje i wyższy opór polaryzacyjny^12,13. Cząstki TiC i Ti zapewniają wzmocnienie mechaniczne i działają jako bariery dyfuzyjne dla jonów korozyjnych, podczas gdy dobrze połączone interfejsy minimalizują mikroszczeliny, które mogą rozpocząć lokalną korozję¹⁴. Tabela materiałów przedstawia użyte materiały, w tym reagenty i instrumenty.

Głównym celem tej metody jest ocena tribokorozyjnej wydajności kompozytów AM TI₆Al₄V wzmocnionych cząstkami ceramicznymi (Zr/TiC i Ti/TiC), wychwytując synergistyczne mechanizmy uszkodzeń, które występują podczas jednoczesnego zużycia mechanicznego i ekspozycji elektrochemicznej. Testowanie tribokorozji integruje pomiary zużycia i elektrochemiczne, zapewniając rzeczywistą ocenę w dynamicznych, fizjologicznie istotnych warunkach^{15,16,17,18,19,20}. Metoda jest odpowiednia dla implantów biomedycznych poddanych obciążeniom lub komponentów narażonych na połączone obciążenia mechaniczne i chemiczne, symulując najgorsze scenariusze in-vivo przy użyciu elektrolitu zawierającego chlorki. Optymalna wydajność osiągana jest poprzez równowagę wzmocnienia mechanicznego z stabilnością elektrochemiczną, podkreślając znaczenie jednorodności mikrostrukturalnej i integralności warstwy pasywnej. Ten protokół zapewnia reproduktybilne, odpowiednie dla zastosowania ramy do oceny kompozytów AM TI₆Al₄V w warunkach tribokorozji, wspierając oświedczoną selekcję materiału, inżynierię powierzchni i projektowanie implantów.

Protokół

1. Materiały, sprzęt i proszki początkowe

1. Proszki początkowe
   1. Uzyskać proszek TI₆Al₄V atomizowanym gazem (ASTM F136) o rozmiarach cząstek 15–53 µm, proszek cyrkonu (Zr) o czystości ≥99,5 wt% i wielkości cząstek 10–45 µm oraz proszek węglika tytanu (TiC) o czystości ≥99 wt% i wielkości cząstek 2–10 µm.
   2. Przechowywaj wszystkie proszki w szczelnych pojemnikach w suchej atmosferze argonowej, aby zapobiec utlenianiu i wchłanianiu wilgoci przed przetwarzaniem.
2. Przygotowanie podłoża
   1. Wytnij płyty podłoża TI₆Al₄V na wymiary 50 mm × 50 mm × 5 mm.
   2. Szlifuj powierzchnię podłoża sekwencyjnie za pomocą papierów SiC od ziarnistości P320 do P800, aby usunąć tlenki powierzchni i nieregularności.
   3. Oczyść ultradźwiękowo podłoża w acetonie przez 10 min, a następnie w etanie przez 10 min.
   4. Wysusz podłoża za pomocą sprężonego azotu i zamontuj je bezpiecznie na platformie budowy laserowego napylani metali (LMD).

2. Laserowe napylanie metali kompozytów powierzchniowych wzmocnionych ceramicznie

1. Konfiguracja systemu LMD
   1. Użyj systemu laserowego napylani metali wyposażonego w jednostkę zasilającą proszki z wieloma lejkowymi.
   2. Zastosuj laser światłowodowy o fali ciągłej o długości fali około 1070 nm.
   3. Ustaw średnicę plamki laserowej na 1,0–1,5 mm za pomocą dyszy kseroksenowej.
2. Podawanie proszków i osłona
   1. Zaladuj proszki TI₆Al₄V, Zr i TiC do osobnych lejkowych pod osłoną wypełnioną argonem.
   2. Przepuść wszystkie linie proszków i lejkowy z argonem o wysokiej czystości przez co najmniej 20 min, aby obniżyć poziom tlenu poniżej 10 ppm.
   3. Skalibruj każdą dozownik proszku wagowo i dostosuj szybkości podawania, aby osiągnąć pożądaną kompozycję, utrzymując łączną szybkość podawania proszku 5–10 g/min z odchyleniem w granicach ±2%.
3. Parametry napylani
   1. Ustaw moc lasera na 800–1200 W.
   2. Ustaw szybkość skanowania na 6–12 mm/s.
   3. Utrzymaj przepływ gazu osłaniającego argonowego na poziomie 10–15 l/min, aby chronić stopiony basen przed utlenianiem.
   4. Napijaj materiał za pomocą strategii skanowania rasterowego z 30–50% nakładaniem się sąsiednich ścieżek.
   5. Buduj powłoki warstwę po warstwie, pozwalając na kontrolowane przerwy chłodzenia między warstwami, aby zminimalizować naprężenia resztkowe.
   6. Pozwól próbkom ostygnąć do temperatury pokojowej w atmosferze argonowej po napylaniu.

3. Charakterystyka mikrostrukturalna i fazowa

1. Przygotowanie metalograficzne
   1. Wytnij zdeponowane próbki prostopadle do kierunku budowy za pomocą precyzyjnej diamentowej piły.
   2. Zatop właścicieli w przewodzącej epoksydzie i wylej zgodnie z instrukcjami producenta.
   3. Szlifuj za pomocą papierów SiC (P120 do P1200) i poleruj zawiesinami diamentowymi do 1 µm.
2. Mikroskopia skaningowa elektronowa (SEM): Pokryj polerowane próbki cienką przewodzącą warstwą przed obrazowaniem SEM, aby zmniejszyć naładowanie powierzchni. Przymocuj każdą polerowaną próbkę na aluminiowym uchwycie SEM za pomocą przewodzącej taśmy węglowej, aby zapewnić właściwy kontakt elektryczny.
   1. Umieść zamontowane próbki w kabinie do opryskiwania i zdeponuj 5–10 nm warstwę złota lub węgla w atmosferze argonowej. Zastosuj prąd rozpryskowy około 20 mA przez 45–60 s, aby zapewnić jednolite przewodzące powłoki. Po opryskaniu przechowuj próbki w czystym, wolnym od kurzu pojemniku do analizy SEM.
      UWAGA: Pokryj polerowane próbki warstwą przewodzącą węgla lub złota (~5–10 nm): Aby zapewnić przewodzącą powierzchnię do obrazowania SEM i dokładnej analizy pierwiastków EDS, pokryj polerowane próbki cienką warstwą węgla lub złota (~5–10 nm). Zastosuj kabinę do opryskiwania, aby zastosować przewodzącą warstwę. Zabezpiecz próbki na aluminiowych uchwytach za pomocą przewodzącej taśmy węglowej i opryskaj 5–10 nm warstwą złota przy 20 mA przez 60 s w atmosferze argonowej. Materiały wymagane do tej przygotowania to polerowane próbki metalurgiczne, źró

Wyniki

Charakterystyka proszku i podłoża
Reprezentacyjne mikrografa skanującej mikroskopii elektronowej (SEM) proszków wzmacniających wyjściowych ((A) Ti, (B) Zr i (C) TiC) są przedstawione na Rysunek 1. Obrazy ilustrują typowe morfologie cząstek uzyskane z proszków atomizowanych gazowo i dostarczonych komercyjnie. Cząstki tytanu i cyrkonu wykazywały przeważnie kuliste do prawie kuliste kształty, podczas gdy cząstki węglika tytanu (TiC) wykazywały bardziej ka...

Dyskusja

Niniejszy artykuł metodyczny przedstawia odtwarzalny protokół dotyczący wytwarzania, charakteryzacji i oceny trybokorozyjnej kompozytów na bazie TI₆Al₄V wytwarzanych metodą dodawania, wzmocnionych fazami ceramicznymi za pomocą laserowego napylaniania metali (LMD). Metodologia integruje charakteryzację proszku, zautomatyzowane mieszanie in situ, naplamianie laserowe, analizę mikrostrukturalną, badania elektrochemiczne oraz sprzężoną ocenę trybokorozji w celu zbadania złożonych mechanizmów de...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Surowce / Proszki
Ti6Al4V Proszek			Atomizowany gazem, 15–53 μm (ASTM F136) Zastosowanie w badaniu: Materiał matrycy do klastrowania laserowego i podłoża.
Proszek cyrkonu (Zr)			Czystość ≥99 mas.%, 10–45 μm Zastosowanie w badaniu: Materiał wzmacniający kompozytu i stabilizator.
Proszek węglika tytanu (TiC)			Czystość ≥99 mas.%, 2–10 μm Zastosowanie w badaniu: Materiał wzmacniający ceramiczny do kompozytu.
Proszek Ti/TiC			Mieszanka proszków kompozytowych (określone proporcje wagowe) Zastosowanie w badaniu: Mieszanka wzmacniająca do kompozytu.
Proszek Zr/TiC			Mieszanka proszków kompozytowych (określone proporcje wagowe) Zastosowanie w badaniu: Mieszanka wzmacniająca do kompozytu.
Gazy & Chemia
Azot (N2)			Kontrolowane środowisko/Środek ostrożności Zastosowanie w badaniu: Kontrolowane środowisko do mieszania proszków i systemu Laser Metal Deposition (LMD).
Argon (Ar)			Środowisko do oczyszczania, gaz nośny/osłaniający Zastosowanie w badaniu: Ładowanie proszków, atmosfera LMD i koaksjalny dysz z gazem nośnym.
Aceton			Środek czyszczący Zastosowanie w badaniu: Czyszczenie podłoża Ti6Al4V.
Etanol			Środek czyszczący Zastosowanie w badaniu:
Roztwór chłodzący			woda Zastosowanie w badaniu: Czyszczenie podłoża Ti6Al4V.
Przezroczysta żywica epoksydowa			Materiał montażowy Zastosowanie w badaniu: Montaż próbek do przygotowania elektrod lub metalograficznego.
Przewodząca żywica epoksydowa			Materiał montażowy Zastosowanie w badaniu: Montaż próbek do mikroskopii (po przekrojeniu)
Papier ścierny (SiC)			Różne wielkości ziarna Zastosowanie w badaniu: Szlifowanie próbek (przygotowanie metalograficzne).
Pasta diamentowa			Środek polerujący Zastosowanie w badaniu: Polerowanie narażonych powierzchni elektrod i przekrojów.
Symulowana płyn ciała (SBF)			Elektrolit Zastosowanie w badaniu: Testowanie korozji elektrochemicznej.
Elektrolit NaCl/H2SO4			Nieokreślone stężenie Zastosowanie w badaniu: Testowanie korozji elektrochemicznej.
Wyposażenie & Instrumentacja
Mikroskop skaningowy (SEM)			Z spektroskopią energetyczną (EDS) Zastosowanie w badaniu: Charakterystyka proszków i podłoży, analiza mikrostruktury, dyspersja wzmacniania i mapowanie EDS.