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Phasenbildung und Oberflächeneigenschaften von ionenimplantierten, biokompatiblen Titanlegierungen unterschiedlicher Zusammensetzung

Steinbauer, Ute :
Phasenbildung und Oberflächeneigenschaften von ionenimplantierten, biokompatiblen Titanlegierungen unterschiedlicher Zusammensetzung.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Phasenbildung und Oberflächeneigenschaften von ionenimplantierten, biokompatiblen Titanlegierungen unterschiedlicher Zusammensetzung
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Ionen-Implantation auf das Korrosionsverschleissverhalten biokompatibler Titanlegierung (Ti-6Al-7Nb, Ti-15Zr-4Nb-4Ta, Ti-35Zr-10Nb und Ti-45Nb) waehrend anodischer Polarisation untersucht. Das Gefuege, die Phasenbildung sowie die Tiefenverteilung der implantierten Ionen werden analysiert und deren Auswirkung auf die Oberflaecheneigenschaften untersucht. Kohlenstoff, Stickstoff und Gold werden unter Bedingungen implantiert, die einen positiven Einfluss auf das Korrosions- und Verschleissverhalten erwarten lassen. Die Nichtmetalle werden mit Energien von 120 bzw. 130 keV und 60 keV mit Gesamtdosen von 3 und 5 1017cm?2 implantiert. Bei Gold wird eine Gesamtdosis von 1 1016cm?2 bei einer Energie von 150 keV gewaehlt. Analytische Untersuchungen werden mit Roentgenbeugung bei streifendem Einfall, Hochenergie-Rueckstreu-Spektroskopie sowie Photonenelektronen-Spektroskopie durchgefuehrt. Das Polarisationsverhalten wird durch Stromdichte-Potential-Messungen in physiologischer Kochsalz-Loesung charakterisiert. Zur Untersuchung des Korrosionsverschleisses wird eine Stift-Scheibe-Apparatur mit einer Drei-Elektroden-Anordnung verwendet, welche es erlaubt, Stromdichte-Potential-Messungen bei gleichzeitiger Reibungsbean-spruchung gegen PMMA (Knochenzement) durchzufuehren. Bei Ti-6Al-7Nb bzw. Ti-15Zr-4Nb-4Ta liegt ein (a+b)-Duplex-Gefuege bzw. ein fein lamellares (a+b)-Gefuege mit einer Haerte von ca. 3,6 bzw. 2,6 GPa vor. Ti-35Zr-10Nb weist ein martensitisches a´-Gefuege mit einer Haerte von 2,2 GPa auf. Ti-45Nb besitzt ein globulares b-Gefuege mit einer Haerte von 1,45 GPa. Nicht-implantierte Proben sind mit einer 3 bis 4 nm dicken Oxidschicht bedeckt. Die Oxidschicht besteht aus unterschiedlichen Oxiden der Legierungselemente. Kohlenstoff- bzw. Stickstoff-Implantation erhoeht die Oxidfilmdicke geringfuegig. Die Tiefenverteilung und Konzentration der implantierten Elemente ist legierungsunabhaengig. Implantierter Kohlenstoff bzw. Stickstoff reicht in eine Tiefe von 400 bzw. 500 nm, Gold bis 100 nm. Die Maximalkonzentration von Kohlenstoff bzw. Stickstoff betraegt etwa 55 At.% bzw. 45 At.%. Der Sauerstoff- angereicherte Bereich reicht bei nicht-implantierten Legierungen in eine Tiefe von 50 nm. Durch den Implantationsprozess wird der Sauerstoffgehalt im oberflaechennahen Bereich deutlich vergroessert. Implantation von Kohlenstoff und Stickstoff fuehrt zur Bildung von Titancarbid und Titannitrid, die Bildung intermetallischer Phasen nach Gold-Implantation wird nicht beobachtet. In allen Implantationsschichten liegen a-Titan und b-Titan vor. Stickstoff-Implantation mit den verwendeten Bedingungen fuehrt zur Bildung von Blasen. Oberflaechenschaedigung tritt nach Kohlenstoff- und Gold-Implantation nicht auf. Nicht-implantierte Proben bleiben bei anodischer Polarisation in physiologischer Kochsalz-Loesung passiv. Nach Ionen-Implantation beginnt die Anreicherung der implantierten Elemente an der Probenoberflaeche und fuehrt bei allen Legierungen zu einer Veraenderung der Ruhepotentiale in positive Richtung sowie zu einer Absenkung der Stromdichte. Das Durchbruchspotential ist von der implantierten Ionensorte und der Legierungszusammensetzung abhaengig. Implantation von Kohlenstoff loest bei allen Legierungen Lochfrasskorrosion aus. Stickstoff-Implantation fuehrt bei Aluminium-haltigen Legierungen zum Lochfrass, Aluminium-freie Legierungen bleiben passiv. Nach Gold-Implantation bleiben alle Legierungen passiv. Nach Kohlenstoff- und Stickstoff-Implantation bilden sich bei Ti-6Al-7Nb oberhalb des Durchbruchspotentials sehr viele kleine Korrosionsloecher. Bei Kohlenstoff-implantierten zirkoniumhaltigen Proben entstehen kreisaehnliche Korrosionsloecher. Bei Ti-45Nb werden die b-Koerner auf der gesamten Ober-flaeche aufgeloest. Reibungsbeanspruchung fuehrt zu einer starken Erniedrigung des Durchbruchspotentials bei Kohlenstoff-implantierten Proben. Stickstoff-implantierte Proben, die ohne Reibbeanspruchung passiv sind, bleiben auch unter Reibung passiv. Waehrend der Korrosionsverschleissbeanspruchung zerkratzen die nicht-implantierten Legierungsoberflaechen durch abgeloeste agglomerierte Oxid-partikel. Das b-Gefuege besitzt die groesste Verschleissbestaendigkeit trotz niedriger Haerte. Eine ausgepraegte Haerteerhoehung wird nach Kohlenstoff- und Stickstoff-Implantation erzielt, und die Verschleissbestaendigkeit ist signifikant erhoeht. Es werden waehrend Reibbeanspruchung bei Stromdichte-Potential-Messungen keine Kratzspuren auf der Probenoberflaeche gebildet. Nach Gold- Implantation ergibt sich keine wesentliche AEnderung des Verschleissverhaltens.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the present work the influence of the ion-implantation are examined for the electrochemical behaviour of biocompatible titanium alloys (Ti-6Al-7Nb, Ti-15Zr-4Nb-4Ta,Ti-35Zr-10Nb and Ti-45Nb) during potentiodynamic anodic polarisization in 0,15 M chloride solution (Ringer solution). The corrosive wear behaviour during polarisization are determined by sliding against a PMMA pin during the wear test. The microstructure, the phase formation and the depth distribution of the implanted ions are analysed and examined for the surface properties to their effect. Carbon, nitrogen and gold are implanted under conditions which let expect a positive influence on the corrosion and wear behaviour. The non-metals are implanted with energy at 120 and 130 keV as well as 60 keV with entire doses from 3 and 5x1017cm-2. At gold an entire dose is chosen by 1x1016cm-2 with a energy from 150 keV. Analytical investigations are carried out with X-ray diffraction at grazing incidence, high energy backscattering spectrometry and x-ray photoelectron spectrometry. With Ti-6Al-7Nb or Ti-15Zr-4Nb-4Ta is a a+b duplex-microstructure or a finely laminated microstructure with a hardness of approx. 3,6 or 2,6 GPa. Ti-35Zr-10Nb shows a martensitic microstructure with a hardness of 2,2 GPa. Ti-45Nb has a globular microstructure with a hardness of 1,45 GPa. Not implanted alloys are covered with an oxide film 3 to 4 nm thick. The oxide film consists of different oxides of the alloying elements. The oxide film thickness increases by implantation of carbon and nitrogen. The depth distribution and concentration of the implanted elements is alloy-independent. After implantation of nitrogen and carbon the thickness of the implanted layers is 400 to 500 nm, gold to 100 nm. The maximum concentration of nonmetal is at a depth of 180 nm with 45 At.% to 55 At.%. The enriched area of oxygen concentrated it reaches with not implanted alloys into a depth of 50 nm. The oxygen content in the near surface region increases with the implantation process. Implantation of carbon and nitrogen leads to the formation of compound from TiC und TiN and stabilized the a-Ti phase, the formation of intermetallic stages after gold-implantation is not observed. In all implantation layer there are a-Titan and b-Titan. Nitrogen-implantation with the employed conditions leads for the formation from gas bubbles. Surface damage does not occur after carbon and gold-implantation. Not implanted alloys stay in the case of anodic polarization passive in Ringer solution. The enrichment of implanted carbon and nitrogen starts at the surface and leads to a modification of the rest potentials into positive direction as well as to a decrease of the current density. The breakdown potential is dependent on the implanted ion and the alloy composition. Pitting corrosion occurs after implantation of carbon. Implantation of nitrogen leads to the pitting in the case of aluminium-containing alloys, aluminium-free alloys stay passiv. After gold-implantation all alloys stay passiv. After carbon and nitrogen-implantation many small corrosion punctures form themselves at Ti-6Al-7Nb above the breakdown potential. In case of carbon implanted zirconium-containing alloys ring-similar corrosion punctures appear. At Ti-45Nb the b- grains are dissolved on the entire surface. Friction leads to a decrease of the breakdown potential in case of carbon implanted alloys. Nitrogen implanted tests which are passive without friction stay passive also under friction. Carbon and nitrogen implantation increases the microhardness, and the wear permanence is raised significantly. No scratches are formed during wear test with anodic polarisization. After gold- implantation no essential change of the wear behaviour shows.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000284
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2847
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and Steinbach, Prof. Dr. Martin
Advisors: Exner, Prof. Dr. Hans Eckart
Refereed: 6 December 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/284
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