Wear resistance and corrosion behavior of Cu-Ti coatings in SBF solution

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Currently, titanium and its alloys have become the most popular metal implantable biomaterials. However, the main disadvantage of titanium alloys is low wear resistance due to high viscosity. It is known that copper-titanium coatings effectively improve the antibacterial properties of titanium alloy and at the same time increase its wear resistance. Purpose of the work is to study the effects of a solution simulating body fluid on corrosion properties, friction coefficient and the wear of copper-titanium coatings obtained by electrospark deposition method of the Ti-6Al-4V alloy. Method. A non-localized electrode consisting of copper and titanium granules in various ratios was used to form copper-titanium coatings on a titanium alloy by electrospark deposition. The structure of the coatings was examined using a DRON-7 X-ray diffractometer in Cu-Kα radiation and an X-max 80 energy dispersive spectrometer. The antibacterial activity of the deposited Cu-Ti coatings was studied on a non-pathogenic gram-negative culture of Escherichia coli. Polarization tests in SBF solution were carried out using a P-40X potentiostat with an impedance measurement module. The metal content in the SBF solution after immersion of the samples was measured using an ICP-MS 2000 mass spectrometer. The tribological characteristics of the coatings according to the ASTM G99-17 standard using the “ball-on-disk” scheme with sliding friction in the SBF solution at loads of 10 and 25 N were examined. Results and discussions. It is shown that the bactericidal activity of Cu-Ti coated samples to a non-pathogenic culture of Escherichia coli increased monotonously with an increase in copper content. With copper concentration increasing, the corrosion current density of the coatings increased from 3.455 to 17.570 μA/cm2. It is shown that the SBF solution accelerates the wear of a titanium alloy many times over due to its interaction with the electrolyte via the oxidative wear mechanism. The use of Cu-Ti coatings allows reducing the friction coefficient and greatly decreasing the wear of Ti-6Al-4V alloy in the presence of an electrolyte.

About the authors

A. A. Burkov

Email: burkovalex@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5636-4669
Ph.D. (Physics and Mathematics), Khabarovsk Federal Research Center FEB RAS, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, burkovalex@mail.ru

M. I. Dvornik

Email: Maxxxx80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1216-4438
Ph.D. (Engineering), Khabarovsk Federal Research Center FEB RAS, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, Maxxxx80@mail.ru

M. A. Kulik

Email: marijka80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4857-1887
Khabarovsk Federal Research Center FEB RAS, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, marijka80@mail.ru

A. Yu. Bytsura

Email: Alex_btsr@mail.ru
ORCID iD: 0009-0005-4750-7970
Khabarovsk Federal Research Center FEB RAS, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, Alex_btsr@mail.ru

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a 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».