Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb合金的摩擦学的行为全髋关节假体

文摘

这项研究的目的是评价高强度合金的摩擦磨损行为Ti-6Al-7Nb用于股茎和比较它与Ti-6Al-4V合金圆柱杆对应于ISO 5832 - 3部分3/01 - 07 - 199标准。摩擦学的行为被磨损测试调查,使用ball-on-disc和pin-on-disc摩擦计。这些测试包括测量样本的重量损失和摩擦系数。振动摩擦磨损测试一直在进行环境与振荡tribotester按照ISO 7148标准,ASTM可以- 95 a,和ASTM g133 - 95在不同条件下的正常负载(3、6、10 N)和滑动速度(1、15和25毫米·s⁻¹)。计数器对,100 cr6使用钢球直径10毫米。结果表明,两种合金有类似的摩擦磨损性能,虽然他们的粮食结构和成分是不同的。发生大的摩擦发生,可能是由于形成和周期性的,转移的局部断裂层。更高与更大的波动和摩擦磨损率观察速度更高的支持。Ti-6Al-4V磨损机制转换从耕作和剥落磨损速度低滑动塑性变形和粘着磨损。

1。介绍

钛及其合金作为植入材料由于其良好的机械和耐蚀性和生物相容性1- - - - - -4]。最常用的生物材料是工业纯钛(CP-Ti) [5,6),尽管它已经指出CP-Ti强度低的缺点,在抛光难度,耐磨性较差。因此,钛仍不足对于高压力的应用程序,例如,长跨越固定假体和可移动的框架部分假牙(7,8]。

Ti-6Al-4V合金,最初作为一个开发航空材料,已经作为一种替代CP-Ti进行测试,因为它的高机械性能有足够的耐腐蚀(9- - - - - -11]。然而,细胞毒的元素钒是可疑的12,13]。随后,一些研究证明和铝钒离子释放这三元合金可以诱导细胞毒性效应或神经紊乱,分别为(14]。也,长期来看,这种合金有足够的负载转移到相邻的骨头,导致骨吸收和最终放松的植入15,16]。

另一个三元钒免费作为植入材料,合金是Ti-6Al-7Nb合金(17- - - - - -19显示改善的机械特性,耐蚀性和生物相容性。合金是整形外科的应用程序作为开发的材料和被评估为全髋关节假体的新合金。铌钒在稳定表现出类似的效果阶段Ti-Nb双星系统,提供所必需的两相结构。因此,作为三元元素铌Ti-6Al-7Nb产生理想的微观结构的合金(20.]。

作为与Ti-6Al-4V合金相比,在拉伸试验中,Ti-6Al-7Nb合金显示略低强度和较高的延伸率约40%。此外,乳酸,长期浸泡在1.0%的钛离子释放Ti-6Al-7Nb合金从Ti-6Al-4V小于合金和与CP-Ti [21]。Ti-6Al-7Nb合金铸造性能略低于表明CP-Ti铸件孔隙率更少,这是铸件的可靠性方面的优点21]。

尽管Ti-6Al-7Nb合金铸件已经调查了整形外科应用几个方面,如力学性能、耐腐蚀、可铸性,没有研究已经报道了其摩擦磨损阻力,这是全髋假体材料的一个重要因素。在这项研究中,Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V合金的摩擦磨损特性进行了评估ball-on-disc和pin-on-disc摩擦计按照ISO 7148, ASTM可以- 95 a,和ASTM g133 - 95标准。

2。材料和方法

2.1。材料的表征

在这项研究中使用的材料是Ti-6Al-7Nb作为全髋假体(股骨柄)和Ti-6Al-4V从钛柱栏相应的ISO 5832 - 3部分3/01 - 07 - 199(由ENSAM、里尔、法国)。钛合金的化学成分在这项研究中的应用是在表中指定1。

合金表面与600碳化硅磨料研磨纸和硅胶的抛光,因为众所周知,植入的固定极大地依赖于良好的机械联锁粗糙表面之间的移植和组织(22]。所有样本清洗与丙酮超声波浴,乙醇、蒸馏水,连续10分钟,然后在热空气干燥,保存在干燥器到它们的使用。

2.1.1。表面和微观结构分析

酸性腐蚀剂(3毫升高频,6毫升HNO₃和100毫升H₂O 10 s)被用来减少表面硬化的影响,微观结构进行了研究使用光学显微镜(徕卡DMLM)。表中给出的合金化学成分1收购使用光谱仪(美国)和能量色散谱(EDS使用飞利浦XL 30 ESEM-FEG和EDX IMIX-PTS)。合金显微组织中给出的阶段被确定通过x射线衍射测量(Intel 120 CPS /布鲁克中心——AXS)使用铜Kα在40马35 kV和生成的。扫描电子显微镜(SEM)和能量色散x射线(EDX)分析是用来研究了材料的化学成分。研究了样品的粗糙度3 d使用表面数据Veeco:杂志5.0 X, VSI模式。

2.2。摩擦学的研究

Pin-on-disc、ball-on-disc和摩擦学的测试(数字1和2)进行了使用下面的假体材料:Ti-6Al-4V Ti-6Al-7Nb合金,100 cr6钢和320号砂纸(原文如此)。

2.2.1。减肥(Pin-on-Disc)

接触对,研究摩擦学的一对,是,在这种情况下,样本(Ti-6Al-4V Ti-6Al-7Nb和砂纸(320磨料论文))。这个测试的参数考虑应用的负载和转速。测试时间和滑动距离(1400)保持不变,而减肥决定作为一个样本的重量重的差异之前和之后的测试。微电子的平衡,其准确性是订单的10⁻³g,用于体重测量。样本之前用丙酮清洗每个重量和试样的表面粗糙度测量之前和之后的测试。

2.2.2。摩擦磨损行为(Ball-on-Disc)

摩擦磨损测试被执行,在环境空气振动摩擦计按照ISO 7148, ASTM可以- 95 a, ASTM g133(图- 95标准2)。

样本准备测试依照ASTM F136-02 ASTM F86-01和ASTM E1078-02。每个标本被酒精彻底清洗,然后在超声波清洗器清洗60分钟,之后在热空气干燥。之后,样本在异丙醇清洗在60分钟的解决方案,在热空气干燥。样本存储在干燥器中,前测试。每个测试的持续时间是40000周期(40米的距离),随即一个周期是由全振幅滑动距离(半振幅,0.25毫米)。选择滑动速度躺在范围通常在髋关节(1、15和25毫米·s⁻¹)在不同正常负载(3、6、10 N)。摩擦系数,即动态摩擦系数,是自动记录测试期间,使用数据采集软件。同时,摩擦系数曲线记录和绘制。试验条件如表所示2。

3所示。结果

3.1。表面和微观结构分析

钛合金样本(图3)检查使用(EDX)分析。整体的光谱分析数据所示4和5。对于Ti-6Al-4V合金钛、钛峰比铝更明显的预期EDX阶段。钒、钼(Mo)和镍也存在;Ti-6Al-7Nb, Ti峰值更明显比铝(Al)、铌(Nb)、铁(Fe)、钼(Mo)和钽(Ta)也在场。研究样本的化学成分符合的Ti-6Al-7Nb Ti-6Al-4V,分别。

3.1.1。微观结构

样品都机械抛光和化学蚀刻溶液3毫升高频,6毫升HNO₃,100毫升H₂O 10年代减少表面硬化的影响。钛合金的微观结构是如图3(一)和3分别(b)。合金显微组织由球状和针状谷物(白色颗粒)在一个矩阵包含等轴的谷物(黑暗的谷物)。针状的形状阶段是呈现在图3在安排称为方平组织特征魏氏组织。Ti-6Al-4V合金的显微组织由α颗粒(白色的光学显微照片;(图3(b))和片状α+β谷物(黑图3(b))。

3.1.2。显微硬度

显微硬度实验使用茨威格Roell Z 2.5 micro-compression tester朱/ Z型2.5,配备了金刚石压头,位于一个室温22°C和实验室的氛围。使用P- - - - - -h(此)曲线在显微硬度试验加载速度(0.2毫米·分钟⁻¹),50 N的最大负载下,每个测试进行了三次,计算平均值由特定轴自动加载和位移。实验P- - - - - -hTi-6Al-7Nb曲线和Ti-6Al-4V如图6。

3.1.3。粗糙度分析

研究了基质的生物医学的兴趣。他们必须满足标准由生物医学领域尤其是在材料的表面沉积在关节表面的髋关节假体Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb髋关节植入物。获得的粗糙度的样品(表3和图7)满足生物医学的标准,如在ISO 7206 - 2:1996指定标准(23]。粗糙度值分别为5.03和0.01μm Ti-6Al-7Nb合金抛光前后,分别和0.06μ米后Ti-6Al-4V抛光。

3.2。摩擦学的研究

3.2.1之上。减肥(接触平面)

减肥(图8)钛样品,测试在3.5 N负荷,大约是磁盘革命的数量成正比。然而,穿是按预期Ti-6Al-7Nb系统更大。行为观察的样本表明,磨损机制在测试期间是相同的(磨损)。Ti-6Al-4V样本的情况下,其减肥是Ti-6Al-7Nb ~ 85%的观察样本。根据Archard定律,材料的体积损失是材料的硬度值成反比(24,25]。这意味着材料的硬度越高,体积越小的损失。目前的合金硬度值表现出显著差异,以便实验滑动磨损数据关联与Archard定律。

3.2.2。摩擦系数

依赖Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V合金的摩擦系数(咖啡)滑动距离,也就是说,数量的周期,在表中给出4和5从数据9,10,11,12,13,14,15,16,几乎是负载和速度的一些条件。分析这些曲线允许区分连续几期或政权的摩擦和磨损。(1)首先是住宿期,在此期间,表面摩擦系数增加迅速的第一身体最韧性(26),在这种情况下,钢铁。钢铁表面的粗糙度降低塑性变形。(2)第二阶段的特点是摩擦系数略有降低。可能,第三个身体的摩擦磨损产生的跟踪钢发挥作用与固体润滑剂。(3)第三个时期是由显著增加摩擦系数定义。第三个身体是分散和氧化,可能具有研磨作用。(4)第四个也是最后一个阶段对应于1400年稳定的摩擦系数。从图9的摩擦系数(约显示较低价值。0.248)20周期,然后增加到平均0.4值40到1000周期。原因可能是由于氧化层上形成钛合金,因此,摩擦系数显示较低价值。然而,氧化层被撕裂,然后100年cr6钢球完全涉及到基质,因此,摩擦系数(0.538)获得更高的价值。

数据9和10显示摩擦系数曲线的演化Ti-6Al-7Nb Ti-6Al-4V,分别在不同条件下应用负载和拖滑速度(15和25毫米·s⁻¹)。获得的结果显示所有曲线相同的形式。咖啡平均价值获得15毫米·s⁻¹和3 N Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V合金0.54和0.8,分别。结果如图13- - - - - -19和表4- - - - - -5。

(1)载荷的影响。样品的摩擦测试结果Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb合金替代运动与100年cr6钢球表中所示4- - - - - -5在数据8- - - - - -16。表4,5,6,数据11- - - - - -13代表的影响正常负载应用于摩擦系数的演变,在不同条件下的载荷和滑动速度如图11(在1毫米·s⁻¹)Ti-6Al-4V显示较低价值的Ti-6Al-7Nb其他部分相比,数字11也显示,Ti-6Al-4V具有较高的摩擦系数的平均值Ti-6Al-7Nb。

数据12和13显示摩擦系数的演变Ti-6Al-7Nb Ti-6Al-4V;结果表明,摩擦系数几乎已经在研究条件下收敛值。

表4和图12表明,平均摩擦系数分别为0.59,0.473,和0.452 Ti-6Al-4V合金和0.40,0.413,和0.398 Ti-6Al-7Nb合金,在正常负载3 N, 6 N,分别和10 N。这也是明显的图12低摩擦系数显示值(0.229、0.351和0.308)100周期Ti-6Al-4V和(0.248,0.339,和0.325)Ti-6Al-7Nb合金然后急剧增加到0.809和0.538的平均值,直到2300年距离(周期)Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4Nb合金。

它在桌子上4和图13Ti-6Al-4V高摩擦系数的值(0.754,0.904,和0.648)比Ti-6Al-7Nb值(0.49,0.482,和0.54)合金。这也是明显的图13摩擦系数显示较低价值在0.193和0.349,50周期,然后急剧增加到0.75和0.49到1400年周期的平均值Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb分别。

(2)速度的影响。数据14- - - - - -16代表应用负载的影响摩擦系数的演变Ti-6Al-7Nb Ti-6Al-4V合金在不同载荷和滑动速度。是见过样品的平均系数显示较低价值在1毫米·s⁻¹然后它大幅增加,平均值与滑动速度的增加,如图17。

接触压力计算相同的值(690、870和1031 MPa)对合金在应用加载,分别和替代的移动速度。

3.2.3。磨损行为

体积磨损率(表6使用机械表面光度仪)计算。100年cr6钢球样品表面的研磨;,磨损发生在表面,在图中对此进行了阐述18和19。体积磨损被确定为5.45×10⁻³,9.53×10⁻³和12.08×10⁻³毫米³N⁻¹·毫米⁻¹Ti-6Al-4V和5.48×10⁻³,9.64×10⁻³和13.12×10⁻³在1毫米·s⁻¹滑动速度负载下3、6和10 N, Ti-6Al-7Nb分别。最后,体积磨损是相同的(收敛值)的滑动速度15毫米·s⁻¹和25毫米·s⁻¹22.06×10之间⁻³和57×10⁻³毫米³N⁻¹·毫米⁻¹两个样本。表6提供的磨损体积研究合金的滑动速度的函数。体积磨损数据表明体积损失,无论合金成分和微观结构,增加随着滑动速度的增加。

4所示。讨论

4.1。摩擦行为

硬度测试结果表明,比Ti-6Al-7Nb Ti-6Al-4V合金具有更高的硬度。依赖之间的磨损特征和硬度早些时候报道,发现穿价值降低,硬度增加(27]。钛合金的性能评价参数时获得压痕深度,深度,减少杂质的增加内容(27]。深度值的变化是引起的屈服强度的影响(28和流动应力29日]。减肥和磨损表面特征的差异可以部分归因于三种金属硬度的差异和变形过程与微观结构特征有关。此外,还有其他因素影响材料磨损特征。磨损颗粒表面损伤机制的影响(30.),据报道,表面状况是影响生物材料磨损特性的合金(31日]。为了识别阶段的宪法,钛合金使用CuK受到x射线衍射分析α辐射。存在两个和阶段被确认,主要是相对应的峰值(六角封闭包装)和阶段阶段(体心立方)出现(32,33]。Ti-6Al-7Nb合金微观结构改变的展品α细化针状组成的两相结构α阶段之前,谷物。强度的合金被认为源于这种改进结构。

4.2。磨损行为

结果研究了合金的磨损体积损失表中给出6我们滑动速度的函数。体积磨损数据表明体积损失,无论合金成分和微观结构,增加随着滑动速度的增加。Ti-6Al-4V合金的耐磨性高于Ti-6Al-7Nb合金。从图可以看出8的减肥Ti-6Al-4V低于Ti-6Al-7Nb合金的情况。

根据Archard定律,材料的体积损失是材料的硬度值成反比(24]。这意味着材料的硬度越高,体积越小的损失。目前的合金硬度值表现出显著差异,以便实验滑动磨损数据关联与Archard定律。

此外,它的磨损大大增加随着滑动速度的增加。已经观察到,例如,在一个滑动的速度25毫米·s⁻¹的磨损损失Ti-6Al-7Nb合金,而(毫米³N⁻¹·毫米⁻¹)穿损失是观察Ti-6Al-4V合金。在更高的滑动速度,磨损损失的差异甚至更高。这可以解释为,随着滑动速度的增加,氧化磨损减少,因为减少的时间用于无接触氧化(34]。氧化磨损的特点是表面氧化物的形成岛屿不断形成和损坏。如果磨损表面氧化尺度不足够支持的底层经过材料和不坚持衬底,他们往往是不断分散。因此,他们不保护和由此产生的磨损严重。因为表面的固定标本在目前的调查是在连续接触,为贫困的原因之一研究合金的耐磨性是无法形成保护性的氧化层在穿。虽然Ti-based合金暴露于氧化环境表面迅速形成一层氧化物由于其高反应活性,这是后续去除在滑动接触摩擦副表面之间的相互作用的原因。滑动速度对减肥的效果呈现在图的所有材料8。磨损率的估计价值表明在任何滑动速度Ti-6Al-7Nb的磨损率,Ti-6Al-4V,陶瓷合金在减少订单。

磨损痕迹的形态分析证实了上述结果。中给出的SEM显微图数据18和19显示了典型的磨损表面形态测试标本的最低和最高滑动速度。标本的形态穿中间滑动速度,因为他们没有显示显示中间特征这两个极端之间。合金的磨损表面,磨耗的证据可以发现在所有测试标本。

连续滑动痕迹与可塑性变形槽和山脊穿跟踪独立的滑动速度。然而,塑性变形的程度或“耕作”发现小的Ti-6Al-7Nb合金(数字(19日)和19 (b))。与一致的塑性变形层评估速度(图相对顺利19)。只有浅穿槽导致的穿透硬刚性磨料磨具和随后抓挠渗透试样表面的研磨剂可以观察到。穿透深度取决于的相对硬度磨料对试样表面硬度。Ti-6Al-4V合金的硬度高于Ti-6Al-7Nb合金预计的深度渗透的磨料Ti-6Al-4V表面更少。这将导致更少的材料从表面去除由于耕作措施和较小的程度上Ti-6Al-4V的情况下的塑性流动。因此,Ti-6Al-4V合金展览大大减少磨损率比Ti-6Al-7Nb合金。

扫描电镜检查也显示,至少有两个穿机制是有效的在这些合金。存在的片的接触表面的分层材料强烈建议粘着磨损的发生。在滑动过程中,接触表面微凸体增量塑性变形的经验,积累在重复联系人(35]。累积塑性应变的临界值时,裂纹成核表面下和传播与表面平行。因此,薄片材料分离的表面粘附到。转移的一些材料丢失,但一些是reembedded和接触表面涂抹。在这一理论的分层35),先后讨论和众多作者实现的,它应该是一个关键塑性应变是由材料的延性。钛及其合金具有化学活性高延性,引起强烈的倾向于粘附[36]。因此,粘合强度形成的连接通常是远高于钛合金的强度等连接将在钛表面微凸体弱,破裂占许多陨石坑在钛合金表面的磨损。材料的去除粘附有关大型穿损失和磨损率似乎是由粘着磨损总穿的贡献。

扫描电镜显微图呈现在图19显示Ti-6Al-7Nb合金的磨损表面。很明显,断裂发生在更大的规模,大薄片的表面。分层区域的详细调查揭示了山脊和裂纹垂直于滑动方向。弄脏的区域也可以很容易检测到磨损的表面。这些特征表明,磨损主要发生粘连。在这种情况下,附着力重叠Ti-6Al-7Nb合金的磨损和加速磨损。发生分层更突出当穿测试进行滑动速度(数字更高19 (e)和19 (f))。相同的行为被Manivasagam观察et al。37]。

另一个因素导致观察到的磨损行为可能是应变硬化。即延性材料的滑动磨损过程可能产生大量塑性变形的材料层相邻接触表面(38,39]。

5。结论

穿高强度的特点Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V合金在摩擦磨损试验模拟评估为全髋关节假体的应用。振动摩擦和耐磨性考试进行了在环境空气振荡tribotester按照ISO 7148标准,ASTM可以- 95 a, ASTM g133 - 95。一方面,进行摩擦磨损试验看到穿的类型和量化减肥,另一方面,看到变化研究夫妻在不同条件下的摩擦系数。以下的观察和结论。(1)与两阶段Ti-6Al-7Nb合金的耐磨性微观结构大大低于Ti-6Al-4V合金具有更高的硬度在相同的测试条件下测试。磨损的程度最小的Ti-6Al-4V硬度最高。(2)两种合金的摩擦系数随滑动速度增加。然而,Ti-6Al-7Nb合金显示无显著变化的摩擦系数与滑动速度变化,而对于Ti-6Al-4V合金Ti-6Al-4V合金系数的增加线性增加滑动速度。这种行为可以归因于主要磨损机制。(3)两个Ti合金有类似的摩擦磨损性能,虽然他们的粮食结构和成分是不同的。(4)大型摩擦发生波动,可能由于形成和周期性,传输层的局部断裂。(5)高摩擦系数有不同的价值波动和高磨损率是观察到更高的站速度。(6)研究了合金和在所有调查情况下,摩擦系数先增加然后减少的滑动距离的函数。进化的摩擦系数与磨损表面的组成有关。(7)Ti-6Al-4V合金磨损机制从耕作的转变和剥落磨损速度低滑动塑性变形和粘着磨损速度升高。(8)减肥,量化的穿柔软的身体在坚硬的地面上滑倒,不仅滑动的距离成正比,但正常负载应用。(9)滑动速度对主要影响作用于接触区域的温度。超越临界转速涉及表面融合最易熔的身体。(10)接触区温度的增加与滑动速度的增加诱发结构转换和增加了接触表面对环境的反应,也就是说,氧化空气的存在。超过一定温度,因此滑动速度高于价值,氧化膜,造成永久性的氧化、重组与毛皮是被磨损。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这个工作是实现合作的实验室MSMP材料表面和处理材料,保存tech-Lille法国巴黎艺术。作者要感谢实验室的主任,请提供TiAlV金属酒吧和TiAlNb股茎。作者也感激教授阿兰IOST,允许利用SEM和tribotester设施。

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