21324

21324

تاثير عمليات تركيبي تغييرشكل پلاستيك شديد ECAP و SMAT بر ريزساختار و خواص زيست سازگاري تيتانيم خالص تجاري

دكتري

مهندسي مواد و متالورژي

1398

1398/8/25

دكتر محمد تقي صالحي

دكتر فرامرز جوانرودي

مواد و متالورژي

با توجه به روند رشد جمعيت كهنسال دنيا، لزوم استفاده از مواد و قطعات بهينه در كاربردهاي پزشكي بسيار ضروري است. تيتانيم و آلياژهاي آن از پرمصرف¬ترين فلزات در كاربردهاي زيستي هستند. يكي از نقاط ضعف اين آلياژها استحكام پايين آنها در مقايسه با برخي ديگر از فلزات و سوپرآلياژهاست. با استفاده از روش¬هاي تغييرشكل پلاستيك شديد مي¬توان استحكام و سختي تيتانيم و آلياژهاي آن را افزايش داده و استفاده از آنها را براي كاربردهاي زيستي نظير ايمپلنت¬هاي دنداني و غيره فراهم كرد. لازم بذكر است كه تنها افزايش استحكام يك ماده براي استفاده از آن در كاربردهاي زيستي كافي نيست و خواص ديگر نظير زيست¬سازگاري، شرايط سطحي و مقاومت مناسب در برابر خوردگي از جمله خواص بسيار مهمي هستند كه بايد در اين كاربردها مدنظر قرار گيرد. لذا باتوجه به اين خواص مناسب تيتانيم خالص در كاربردهاي پزشكي و با توجه به اينكه استحكام اين فلز چندان مطلوب نيست، بنظر مي¬رسد كه بتوان با استفاده از روش¬هاي مناسب استحكام آن را بهبود داد، بگونه¬اي كه اين فلز براي كاربردهاي پزشكي قابل استفاده شود. در اين تحقيق از تركيب دو روش تغييرشكل پلاستيك شديد جهت حصول به اين هدف استفاده شده است. بمنظور افزايش استحكام بالك ماده ابتدا تيتانيم خالص تحت فرآيند پرس در كانال-هاي هم¬مقطع زاويه¬دار قرار گرفت و سپس بمنظور افزايش خواص سطحي و مكانيكي، عمليات ساچمه¬زني توسط گلوله¬هاي زيركونيايي بقطر mm 5 كه عاري از مواد سمي بودند، انجام گرفت. براي بررسي برخي از خواص مكانيكي از ريزسختي سنجي و نانودندانه¬گذاري استفاده شد. خواص سطحي توسط آزمايش¬هايي از قبيل زبري سنجي، تهيه پروفيل سطح و ترشوندگي مورد ارزيابي قرار گرفت. ريزساختار ماده نيز توسط ميكروسكوپ¬هاي نوري و الكتروني مورد بررسي قرار گرفت. زيست¬سازگاري نمونه¬ها توسط كشت سلول¬هاي استخواني و تمايز سلول¬ها از طريق آزمايش آلكالين فسفاتي مورد ارزيابي قرار گرفت. چسبندگي سلول¬ها نيز با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني بررسي شد. نتايج بدست آمده از آزمايش¬هاي مختلف نشان دادند كه تركيب دو روش پرس در كانال¬هاي هم¬مقطع زاويه¬دار و عمليات سطحي مكانيكي ساچمه¬زني نه¬تنها باعث افزايش سختي تيتانيم تا 45% مي¬شود بلكه همچنين خواص سطحي و نيز خواص زيست¬سازگاري را بهبود مي¬دهد. در اثر اعمال ايكپ، متوسط اندازه دانه¬ها در نمونه آنيل از 25 ميكرومتر به 740 نانومتر در نمونه شش پاس مي¬رسد. بعلاوه در اثر اعمال فرآيند سطحي مكانيكي ساچمه¬زني بر روي نمونه¬هاي ايكپ شده، يك لايه نانوساختار بر روي سطوح ايجاد مي¬شود و ميانگين اندازه دانه¬ها در سطح نمونه¬ها تا حدود 300 نانومتري كاهش مي¬يابد. لذا بنظر مي¬رسد كه تركيب اين دو روش مي¬تواند روند مناسبي جهت بهينه نمودن كاركرد تيتانيم خالص در كاربردهاي زيستي باشد.

1398/08/28

The effect of combined severe plastic deformation method ECAP & SMAT on microstructure and biocompatibility of commercial pure titanium

11/16/2019 12:00:00 AM

Due to the growing world population of elderly people, it is imperative to use optimum materials and components in medical applications. Titanium and its alloys are one of the most widely used metals in biological applications. One of the weaknesses of these alloys is their low strength and mechanical properties compared to some other metals and superalloys. Implementation of severe plastic deformation methods can increase the strength and hardness of titanium and make it possible to use it in medical application such as dental implants. It should be noted that simply increasing the strength of a material is not sufficient for its use in biological applications, and other properties such as biocompatibility, surface condition and good corrosion resistance are among the very important properties to consider. Despite the favorable properties of pure titanium in medical applications, its strength is not desirable and should be improved by appropriate methods. In this study, a combination of two methods of severe plastic deformation was used to achieve this goal. In order to increase the strength of bulk material, pure titanium was first processed by equal channel angular method (ECAP), and then to improve the surface properties, surface attrition treatment (SMAT) was used. The 5 mm zirconia beads (free of any toxic substances) used as a shot-peening media. Micro-hardness and nanoindentation were used to investigate some of the mechanical properties. Surface properties were evaluated by measurement of surface roughness and wettability. The microstructure of the material was also examined by electron microscopy, SEM and EBSD. Cell differentiation was evaluated through alkaline phosphate assay and human osteosarcoma cell line was cultured on samples to study the biocompatibility. The results of these experiments showed that the combination of two severe plastic deformation methods, equal channel angular and surface mechanical attrition treatment leads to increased hardness up to 45%, enhanced surface properties as well as the improved biocompatibility. Application of ECAP resulted to structure refinement from the anneal condition with mean grain size of 25 µm to 740 nm in six passes sample. In addition, as a result of the SMAT process, a nanostructured layer is formed on the surface in which the average grain size drops to approximately 300 nm. Therefore, it seems that combination of these two methods is an acceptable procedure to optimize the performance of titanium in biological applications.