مواد و فناوری‌های پیشرفته

مواد و فناوری‌های پیشرفته

بررسی تأثیر پوشش‌دهی مرتبه‌ای بر خواص نانوفروروندگی پوشش‌های HA/Ti سنتزشده به‌روش پوشش‌دهی مکانیکی برروی زیرلایه آلیاژ Ti-6Al-4V

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان
محمود جلالی بیداخویدی 1
حمید امیدوار 2
علی زمانیان 3
1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
2 دانشیار، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
3 استاد، پژوهشکده فناوری نانو و مواد پیشرفته، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران
10.30501/jamt.2023.412015.1288
چکیده
در این پژوهش پوشش‌های کامپوزیتی و مرتبه‌ای حاوی هیدروکسی‌آپاتیت و تیتانیم بر روی زیرلایه آلیاژ Ti-6Al-4V به‌روش پوشش‌دهی مکانیکی اِعمال شدند و ساختار میکروسکوپی سطح‌مقطع آنها با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و خواص مکانیکی آنها شامل مدول الاستیک و سختی با روش نانو‌فروروندگی بررسی و مورد مقایسه قرار گرفتند. براساس مشاهدات انجام‌شده توسط SEM، سطح پوشش مرتبه‌ای به‌دست‌آمده، به‌دلیل حضور ذرات بیشتر هیدروکسی‌آپاتیت در لایه رویی آن نسبت به پوشش کامپوزیتی غیرمرتبه‌ای، دارای صافی و فشردگی بیشتر و تخلخل کمتری بود. همچنین نتایج آزمون نانوفروروندگی، حاکی از آن بود که مدول الاستیک و سختی در پوشش مرتبه‌ای (مدول 7/4 ± 6/36 و سختی 94/0 گیگاپاسکال) بیشتر از پوشش کامپوزیتی (مدول 5/8 ± 3/13 و سختی 26/0 گیگاپاسکال) بوده و از یکنواختی قابل‌توجهی برخوردار است. علت این موضوع باتوجه‌به تصاویر SEM از سطح‌مقطع پوشش‌ها، به متراکم بودن و تخلخل بیشتر و ناصافی سطح پوشش کامپوزیتی غیرمرتبه‌ای در مقایسه با سطح پوشش مرتبه‌ایِ مربوط می‌باشد.
کلیدواژه‌ها
پوشش‌دهی مکانیکی
هیدروکسی‌آپاتیت
آلیاژ Ti-6Al-4V
پوشش مرتبه‌ای
نانوفروروندگی

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of Graded Coating on the Nanoindentation Properties of HA/Ti Composite Coatings Synthesized by Mechanical Coating Technique on Ti-6Al-4V Substrate

نویسندگان English

Mahmood Jalali Bidakhavidi 1
Hamid Omidvar 2
Ali Zamanian 3
1 PhD candidate, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic),Tehran, Iran
3 Professor, Department of Nanotechnology and Advanced Materials, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran
چکیده English

One of the new methods for determining the mechanical properties of thin layers and coatings is nanoindentation, which is of interest to a number of researchers.  In this research, composite and graded coatings containing HA/Ti were deposited on Ti-6Al-4V substrate by mechanical coating technique and their cross-sectional structure was determined and compared using Scanning Electron Microscope (SEM). Their mechanical properties including elastic modulus and hardness were also studied through the nanoindentation method. The SEM results show that due to the presence of more hydroxyapatite particles on the top layer of the graded coating, its surface enjoys more smoothness and compactness and less porosity than the non-graded composite coating. According to the nanoindentation test results, the elastic modulus and hardness of the graded coating (modulus 36.6 ± 4.7 and hardness 0.94 GPa) is higher and more uniform than the composite coating (modulus 13.3 ± 8.5 and hardness 0.26 GPa). As illustrated in the SEM images of the cross-section of the coatings, this happens due to the greater porosity and roughness of the non-graded composite coating.

کلیدواژه‌ها English

Mechanical Coating Technique (MCT)
Hydroxyapatite (HA)
Ti-6Al-4V Alloy
Functionally Graded Coating (FGC)
Nanoindentation
  1. Barry, J. N., Twomey, B., Cowley, A., O'Neill, L., McNally, P. J., & Dowling, D. P. (2013). Evaluation and comparison of hydroxyapatite coatings deposited using both thermal and non-thermal techniques. Surface and Coatings Technology, 226, 82-91. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.03.039
  2. Dey, A., Mukhopadhyay, A. K., Gangadharan, S., Sinha, M. K., Basu, D., & Bandyopadhyay, N. R. (2009). Nanoindentation study of microplasma sprayed hydroxyapatite coating. Ceramics International, 35(6), 2295-2304. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2009.01.002
  3. Doudkanlouy Milan, B., Mohammadzadeh, H., Jafari, R., & Soltani, M. (2022). Investigation of the Coating Methods and Types of Coatings Containing Hydroxyapatite for Applications in Tissue Engineering. Advanced Ceramics Progress, 8(4), 32-41. https://doi.org/30501/ACP.2022.365116.1108
  4. Ghadami, F., Saber-Samandari, S., & Rouhi, G. (2020). The Effects of Substrates' Materials on Hardness, Creep, and Residual Stress of the Hydroxyapatite Coating, Deposited by HVOF Method. In 2020 27th National and 5th International Iranian Conference on Biomedical Engineering (ICBME) (pp: 154-158), Tehran, Iran, . IEEE. https://doi.org/ 10.1109/ICBME51989.2020.9319455.
  5. Gross, K. A., Saber‐Samandari, S., & Heemann, K. S. (2010). Evaluation of commercial implants with nanoindentation defines future development needs for hydroxyapatite coatings. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials: An Official Journal of The Society for Biomaterials, The Japanese Society for Biomaterials, and The Australian Society for Biomaterials and the Korean Society for Biomaterials, 93(1), 1-8. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31537
  6. Hayashi, N., Ueno, S., Komarov, S. V., Kasai, E., & Oki, T. (2012). Fabrication of hydroxyapatite coatings by the ball impact process. Surface and Coatings Technology, 206(19-20), 3949-3954. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.03.066
  7. Kreller, T., Sahm, F., Bader, R., Boccaccini, A. R., Jonitz-Heincke, A., & Detsch, R. (2021). Biomimetic calcium phosphate coatings for bioactivation of titanium implant surfaces: Methodological approach and in vitro evaluation of biocompatibility. Materials, 14(13), 3516. https://doi.org/10.3390/ma14133516
  8. McEntire, B., Bal, B. S., Rahaman, M., Chevalier, J., & Pezzotti, G. (2015). Ceramics and ceramic coatings in orthopaedics. Journal of the European Ceramic Society, 35(16), 4327-4369. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.07.034
  9. Ohtsu, N., Takahara, T., Hirano, M., & Arai, H. (2014). Effect of treatment temperature on the biocompatibility and mechanical strength of hydroxyapatite coating formed on titanium using calcium phosphate slurry. Surface and Coatings Technology, 239, 185-190. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.11.038
  10. Romankov, S., Kaloshkin, S. D., Hayasaka, Y., Sagdoldina, Z., Komarov, S. V., Hayashi, N., & Kasai, E. (2009). Structural evolution of the Ti–Al coatings produced by mechanical alloying technique. Journal of Alloys and Compounds, 483(1-2), 386-388. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.07.199
  11. Romankov, S., Komarov, S. V., Vdovichenko, E., Hayasaka, Y., Hayashi, N., Kaloshkin, S. D., & Kasai, E. (2009). Fabrication of TiN coatings using mechanical milling techniques. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 27(2), 492-497. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2008.10.005
  12. Saber-Samandari, S., & Gross, K. A. (2009). Nanoindentation reveals mechanical properties within thermally sprayed hydroxyapatite coatings. Surface and Coatings Technology, 203(12), 1660-1664. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.12.025
  13. Savrai, R. A., & Morozova, A. N. (2021). A review of studies in the field of production of coatings on metals by means of mechanical alloying. Surfaces and Interfaces, 27, 101451. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101451
  14. Yazdani, A., & Isfahani, T. (2018). Hardness, wear resistance and bonding strength of nano structured functionally graded Ni-Al2O3 composite coatings fabricated by ball milling method. Advanced Powder Technology, 29(5), 1306-1316. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.02.025
  15. Zadorozhnyy, V. Y., Kaevitser, E., Kopylov, A. N., Borisova, Y. V., Sudarchikov, V. V., Khasenova, R. S., . . .& Kaloshkin, S. (2015). Synthesis of the hydroxyapatite coatings on the Ti substrates by mechanical alloying. Surface and Coatings Technology, 281, 157-163. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.09.056
  16. Zadorozhnyy, V. Y., Shahzad, A., Pavlov, M. D., Kozak, D. S., Chirkov, A. M., Zagrebin, D. S., . .. Kaloshkin, S. D. (2017). Synthesis of the Ni-Al coatings on different metallic substrates by mechanical alloying and subsequent laser treatment. Journal of Alloys and Compounds, 707, 351-357. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.11.189
مواد و فناوری‌های پیشرفته
دوره 12، شماره 4
زمستان 1402
صفحه 38-47

  • تاریخ دریافت 31 مرداد 1402
  • تاریخ بازنگری 14 شهریور 1402
  • تاریخ پذیرش 27 شهریور 1402