Износостойкость и коррозионное поведение Cu-Ti-покрытий в растворе SBF

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. В настоящее время титан и его сплавы стали наиболее популярными металлическими имплантируемыми биоматериалами. Однако главным недостатком титановых сплавов является низкая износостойкость по причине высокой вязкости. Известно, что медно-титановые покрытия эффективно улучшают антибактериальные свойства титанового сплава и при этом повышают его износостойкость. Цель работы: изучение влияния раствора, имитирующего жидкость организма (SBF), на коррозионные свойства, коэффициент трения и интенсивность изнашивания медно-титановых покрытий, полученных методом электроискрового легирования на титановом сплаве Ti6Al4V. Методы исследования. Медно-титановые покрытия были приготовлены на титановом сплаве методом электроискрового легирования с использованием нелокализованного электрода, состоящего из медных и титановых гранул в различных соотношениях. Фазовый состав покрытий изучался с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-7 в Cu-Kα-излучении. Антисептическую активность приготовленных покрытий изучали на грамотрицательной культуре Escherichia coli. Потенциодинамические испытания проводились в растворе SBF с использованием потенциостата Р-40Х с модулем измерения импеданса. Содержание металлов в растворе SBF после погружения образцов измеряли с помощью масс-спектрометра ICP-MS 2000. Трибологическое поведение покрытий исследовалось в растворе SBF согласно стандарту ASTM G99-17 по схеме «шар на диске» при нагрузках 10 и 25 Н. Исследование микроструктуры поверхности изношенных покрытий проведено на растровом электронном микроскопе Vega 3 LMH. Энергодисперсионный спектрометр X-max 80 использовался для микроанализа поверхности образцов после испытания на изнашивание. Результаты и обсуждение. Показано, что бактерицидная активность медно-титановых покрытий к непатогенной культуре Escherichia coli монотонно повышалась с ростом содержания меди. С ростом концентрации меди плотность тока коррозии покрытий повышалась от 3,455 до 17,570 мкА/см2. Показано, что раствор SBF многократно ускоряет износ титанового сплава вследствие его взаимодействия с электролитом по механизму окислительного изнашивания. Применение Cu-Ti-покрытий позволяет уменьшить коэффициент трения и многократно снизить износ титанового сплава Ti6Al4V в условиях присутствия электролита.

Об авторах

А. А. Бурков

Email: burkovalex@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5636-4669
канд. физ.-мат. наук, Хабаровский Федеральный исследовательский центр ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия, burkovalex@mail.ru

М. И. Дворник

Email: Maxxxx80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1216-4438
канд. техн. наук, Хабаровский Федеральный исследовательский центр ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия, Maxxxx80@mail.ru

М. А. Кулик

Email: marijka80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4857-1887
Хабаровский Федеральный исследовательский центр ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия, marijka80@mail.ru

А. Ю. Быцура

Email: Alex_btsr@mail.ru
ORCID iD: 0009-0005-4750-7970
Хабаровский Федеральный исследовательский центр ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия, Alex_btsr@mail.ru

Список литературы

  1. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants – a review / M. Geetha, A. Singh, R. Asokamani, A. Gogia // Progress in Materials Science. – 2009. – Vol. 54. – P. 397–425. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2008.06.004.
  2. Gepreel M.A.H., Niinomi M. Biocompatibility of Ti-alloys for long-term implantation // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2013. – Vol. 20. – P. 407–415. – doi: 10.1016/j.jmbbm.2012.11.014.
  3. Ti6Al4V coatings on titanium samples by sputtering techniques: Microstructural and mechanical characterization / J.C. Sánchez-López, M. Rodríguez-Albelo, M. Sánchez-Pérez, V. Godinho, C. López-Santos, Y. Torres // Journal of Alloys and Compounds. – 2023. – Vol. 952. – P. 170018. – doi: 10.1016/j.jallcom.2023.170018.
  4. Involvement of in vivo induced cheY-4 gene of Vibrio cholerae in motility, early adherence to intestinal epithelial cells and regulation of virulence factors / R. Banerjee, S. Das, K. Mukhopadhyay, S. Nag, A. Chakrabortty, K. Chaudhuri // FEBS Letters. – 2002. – Vol. 532. – P. 221–226. – doi: 10.1016/S0014-5793(02)03678-5.
  5. Macrophages related to dental implant failure / D. Olmedo, M.M. Fernández, M.B. Guglielmotti, R.L. Cabrini, M.M. Fernández, M.B. Guglielmotti, R.L. Cabrini // Implant Dentistry. – 2003. – Vol. 12. – P. 75–80. – doi: 10.1097/01.ID.0000041425.36813.A9.
  6. Antibacterial coatings on titanium implants / L. Zhao, P.K. Chu, Y. Zhang, Z. Wu // Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials. – 2009. – Vol. 91. – P. 470–480. – doi: 10.1002/jbm.b.31463.
  7. Durable self-polishing antifouling Cu-Ti coating by a micron-scale Cu/Ti laminated microstructure design / J. Tian, K. Xu, J. Hu, S. Zhang, G. Cao, G. Shao // Journal of Materials Science & Technology. – 2021. – Vol. 79. – P. 62–74. – doi: 10.1016/j.jmst.2020.11.038.
  8. Tribocorrosion behavior of antibacterial Ti–Cu sintered alloys in simulated biological environments / J.Q. Zhang, S. Cao, Y. Liu, M.M. Bao, J. Ren, S.Y. Li, J.J. Wang // Rare Metals. – 2022. – Vol. 41. – P. 1921–1932. – doi: 10.1007/s12598-021-01943-6.
  9. Preparation of multicomponent thin films by magnetron co-sputtering method: The Cu-Ti case study / B. Adamiak, A. Wiatrowski, J. Domaradzki, D. Kaczmarek, D. Wojcieszak, M. Mazur // Vacuum. – 2019. – Vol. 161. – P. 419–428. – doi: 10.1016/j.vacuum.2019.01.012.
  10. Microstructure, corrosion and tribological and antibacterial properties of Ti–Cu coated stainless steel / X. Jin, L. Gao, E. Liu, F. Yu, X. Shu, H. Wang // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2015. – Vol. 50. – P. 23–32. – doi: 10.1016/j.jmbbm.2015.06.004.
  11. Influence of Cu–Ti thin film surface properties on antimicrobial activity and viability of living cells / D. Wojcieszak, D. Kaczmarek, A. Antosiak, M. Mazur, Z. Rybak, A. Rusak, B. Szponar // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – Vol. 56. – P. 48–56. – doi: 10.1016/j.msec.2015.06.013.
  12. Effects of the prefabricated Cu-Ti film on the microstructure and mechanical properties of the multiphase coating by thermo plasma nitriding on C17200 Cu alloy / Y. Zhu, M. Yan, Q. Zhang, Q. Wang, H. Zhuo // Coatings. – 2019. – Vol. 9. – P. 694. – doi: 10.3390/coatings9110694.
  13. Wang Z.Q., Wang X.R. Microstructure and flame-retardant properties of Ti-Cu coating on Tc11 prepared via electrospark deposition // Material Engineering and Mechanical Engineering: Proceedings of Material Engineering and Mechanical Engineering (MEES 2015). – World Scientific, 2016. – P. 1283–1291. – doi: 10.1142/9789814759687_0144.
  14. Radek N. Experimental investigations of the Cu-Mo and Cu-Ti electro-spark coatings modified by laser beam // Advances in Manufacturing Science and Technology. – 2008. – Vol. 32. – P. 53–68.
  15. Kayali Yu., Yalçin M.C., Buyuksagis A. Effect of electro spark deposition coatings on surface hardness and corrosion resistance of ductile iron // Canadian Metallurgical Quarterly. – 2023. – Vol. 62. – P. 483–496. – doi: 10.1080/00084433.2022.2119039.
  16. In-situ TIC-reinforced NI-based composite coatings fabricated by ultrasonic-assisted electrospark powder deposition / H. Zhao, Ch. Gao, Ch. Guo, B. Xu, X.Yu. Wu, J.G. Lei // Journal of Asian Ceramic Societies. – 2023. – Vol. 11. – P. 26–38. – doi: 10.1080/21870764.2022.2142368.
  17. Burkov A.A., Pyachin S.A. Formation of WC–Co coating by a novel technique of electrospark granules deposition // Materials & Design. – 2015. – Vol. 80. – P. 109–115. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.05.008.
  18. Бурков А.А. Получение аморфных покрытий электроискровой обработкой стали 35 в смеси железных гранул с CrMoWCBSi порошком // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 4. – С. 19–30. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-19-30.
  19. Burkov A.A., Kulik M.A. Wear-resistant and anticorrosive coatings based on chrome carbide Cr7C3 obtained by electric spark deposition // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2020. – Vol. 56. – P. 1217–1221. – doi: 10.1134/S2070205120060064.
  20. Бурков А.А. Одностадийное осаждение Ti–Cu покрытия электроискровой обработкой титанового сплава Ti6Al4V анодом из медных и титановых гранул // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2023. – Т. 20. – С. 372–380. – doi: 10.25712/ASTU.1811-1416.2023.03.010.
  21. Burkov A.A., Chigrin P.G., Dvornik M.I. Electrospark CuTi coatings on titanium alloy Ti6Al4V: corrosion and wear properties // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 469. – P. 129796. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2023.129796.
  22. Durdu S., Usta M., Berkem A.S. Bioactive coatings on Ti6Al4V alloy formed by plasma electrolytic oxidation // Surface and Coatings Technology. – 2016. – Vol. 301. – P. 85–93. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2023.129796.
  23. Comparative analysis of insulating properties of plasma and thermally grown alumina films on electrospark aluminide coated 9Cr steels / N.I. Jamnapara, S. Frangini, J. Alphonsa, N.L. Chauhan, S. Mukherjee // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 266. – P. 146–150. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.02.028.
  24. On the selection of Ti–Cu alloys for thixoforming processes: phase diagram and microstructural evaluation / K.N. Campo, D.D. de Lima, É.S.N. Lopes, R. Caram // Journal of Materials Science. – 2015. – Vol. 50. – P. 8007–8017.
  25. Fan Y., Fan J., Wang C. Formation of typical Ti–Cu intermetallic phases via a liquid-solid reaction approach // Intermetallics. – 2019. – Vol. 113. – P. 106577. – doi: 10.1016/j.intermet.2019.106577.
  26. Effect of temperature on morphology and wear of a Cu-Ti-TiC MMC sintered by abnormal glow discharge / C.D. Bohórquez, S.P. Pérez, A. Sarmiento, M.E. Mendoza // Materials Research Express. – 2020. – Vol. 7. – P. 026501. – doi: 10.1088/2053-1591/ab6e3b.
  27. A study of the electrochemical formation of Cu(I)-BTA films on copper electrodes and the mechanism of copper corrosion inhibition in aqueous chloride/benzotriazole solutions / A.D. Modestov, G.D. Zhou, Y.P. Wu, T. Notoya, D.P. Schweinsberg // Corrosion Science. – 1994. – Vol. 36. – P. 1931–1946. – doi: 10.1016/0010-938X(94)90028-0.
  28. Rosalbino F., Scavino G. Corrosion behaviour assessment of cast and HIPed Stellite 6 alloy in a chloride-containing environment // Electrochimica Acta. – 2013. – Vol. 111. – P. 656–662. – doi: 10.1016/j.electacta.2013.08.019.
  29. Study on the technology of surface strengthening Ti–6Al–4V alloy by near-dry multi-flow channel electrode electrical discharge machining / Y. Ding, L. Kong, W. Lei, Q. Li, K. Ding, Y. He // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 28. – P. 2219–2234. – doi: 10.1016/j.jmrt.2023.12.133.
  30. Preliminary study on the corrosion resistance, antibacterial activity and cytotoxicity of selective-laser-melted Ti6Al4V-xCu alloys / S. Guo, Y. Lu, S. Wu, L. Liu, M. He, C. Zhao, J. Lin // Materials Science and Engineering: C. – 2017. – Vol. 72. – Р. 631–640. – doi: 10.1016/j.msec.2016.11.126.
  31. Corrosion mechanisms in titanium oxide-based films produced by anodic treatment / A.C. Alves, F. Wenger, P. Ponthiaux, J.P. Celis, A.M. Pinto, L.A. Rocha, J.C.S. Fernandes // Electrochimica Acta. – 2017. – Vol. 234. – Р. 16–27. – doi: 10.1016/j.electacta.2017.03.011.
  32. Improvement in antibacterial ability and cell cytotoxicity of Ti–Cu alloy by anodic oxidation / S. Cao., Z.M. Zhang, J.Q. Zhang, R.X. Wang, X.Y. Wang, L. Yang, E.L. Zhang // Rare Metals. – 2022. – Vol. 41. – P. 594–609. – doi: 10.1007/s12598-021-01806-0.
  33. Enhanced antibacterial activity of Ti-Cu alloy by selective acid etching / M. Lu, Z. Zhang, J. Zhang, X. Wang, G. Qin, E. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 421. – P. 127478. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2021.127478.
  34. Guidelines for drinking-water quality. – World Health Organization, 2002.
  35. Ren L., Yang K. Antibacterial design for metal implants // Metallic Foam Bone. – Woodhead Publishing, 2017. – P. 203–216. – doi: 10.1016/B978-0-08-101289-5.00008-1.
  36. Kaplan Y., Is?tan A. Tribological behavior of borided Ti6Al4V alloy under simulated body fluid conditions // Acta Physica Polonica A. – 2018. – Vol. 134. – P. 271–274. – doi: 10.12693/APhysPolA.134.271.
  37. Microstructure and wear behaviors of TiB/TiC reinforced Ti2Ni/a(Ti) matrix coating produced by laser cladding / J.Z. Shao, J. Li, R. Song, L.L. Bai, J.L. Chen, C.C. Qu // Rare Metals. – 2020. – Vol. 39. – P. 304–31. – doi: 10.1007/s12598-016-0787-3.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».