Analysis of residual stresses in bioinert inorganic plasma sprayed ceramic coatings / Анализ остаточных напряжений в биоинертных неорганических керамических покрытиях, нанесенных плазменным напылением / Analiza zaostalih napona u bioinertnim neorganskim keramičkim plazma sprej prevlakama

• Main Author: Mihailo R. Mrdak
• Format: Article
• Language: English
• Published: University of Defence in Belgrade 2018-10-01
• Series: Vojnotehnički Glasnik
• Subjects: positive tensile stresses; negative compression stresses; ZrO2CaO; ZrO2MgO; heat treatment; основания; напряжения; покрытия; керамика; podloge; naponi; prevlake; keramike; substrates; stress; coatings; ceramics
• Online Access: https://scindeks-clanci.ceon.rs/data/pdf/0042-8469/2018/0042-84691804864M.pdf

One of the factors for a successful application of ceramic coatings on biomedical implants is the compatibility of the physical and mechanical properties of coatings with the metal substrates of implants. Temperature and temperature gradient in the coating during powder deposition play an important role in the final quality of the coating. The coefficients of thermal expansion and thermal conductivity of the coating and the substrate are different, which affects the growth of residual stresses in coatings. To reduce the difference between the physical characteristics of the coating and the substrate to a minimum, the coating surface temperature and the substrate surface temperature must be kept under control during the deposition of powder. It is therefore of particular importance to control residual stresses in ceramic coatings in order to secure service life of coatings and implants. The paper describes a model of plasma heat transfer and predicts the distribution of residual stresses in the deposited coatings; it also describes the radiography techniques for measuring residual stresses in ceramic coatings. The aim of this paper is to describe the effect of powder deposition rates as well as the effect of the changes in the thickness and the thermal conductivity of the ZrO2CaO coating on the level and the sign of residual stresses. The paper also presents the influence of the bonding coating, and the changes in the thickness of bonding and the ceramic ZrO2MgO coating as well as the heat treatment on the level and the sign of residual stresses. It was found that the increase of the total thickness of the coating increases the proportion of residual stresses on the surface and the edges of the coating. / Один из факторов успешного применения биомедицинской керамики в области покрытия имплантов заключается в соответствии физических и механических характеристик покрытия с металлической основой импланта. Весьма важную роль при нанесении порошка играют температура и температурный градиент покрытий, так как от них в большей мере зависит конечное качество покрытия. Коэффициенты термического расширения и теплопроводности покрытия и основания различаются, а это влияет на увеличение остаточных напряжений в покрытиях. Для минимизирования разницы физических и механических характеристик покрытия и основания, необходимо вести постоянный контроль за температурами покрытия и основания в течение всего процесса нанесения порошка и его осаждения. В целях продления срока службы как покрытия, так и самого импланта необходимо обеспечить соответствующий контроль за остаточными напряжениями в керамических покрытиях. В данной статье представлена модель теплообмена плазмы, с предусмотренным распределением остаточных напряжений в нанесенных покрытиях, а также техника рентгенографии для измерения остаточных напряжений в керамических покрытиях. Целью данной статьи было описание эффекта скорости осаждения порошка, изменения толщины и теплопроводности ZrO2CaO покрытий к уровню и значениям остаточных напряжений. В статье также представлено каким образом связующие покрытия, изменения толщины связующих и керамических покрытий ZrO2MgO и термическая обработка влияют на уровень и значения остаточных напряжений. Выявлено, что при увеличении общей толщины покрытия пропорционально увеличивается доля остаточного напряжения на поверхности и краях покрытия. / Jedan od faktora za uspešnu primenu biomedicinskih keramičkih prevlaka na implantima jeste usklađenost fizičkih i mehaničkih karakteristika prevlaka sa metalnim podlogama implanata. Temperature i temperaturni gradijent u prevlakama tokom depozicije praha imaju važnu ulogu na konačni kvalitet prevlaka. Koeficijenti toplotnog širenja i toplotne provodljivosti prevlake i podloge se razlikuju, što utiče na povećanje zaostalih napona u prevlakama. Da bi se razlika fizičkih karakteristika prevlake i podloge svela na minimum, temperature površine prevlake i podloge moraju se držati pod kontrolom tokom depozicije praha. Zbog toga je od posebnog značaja kontrola zaostalih napona u keramičkim prevlakama ukoliko se želi postići korisni vek prevlake i implanta. U radu je opisan model prenosa toplote plazme sa predviđanjem raspodele zaostalih napona u deponovanim prevlakama i tehnika rendgenografije za merenje zaostalih napona u keramičkim prevlakama. Cilj rada jeste da se opiše efekat brzine depozicije praha, promene debljine i toplotne provodljivosti ZrO2CaO prevlake na nivo i predznak zaostalih napona. Prikazan je i uticaj vezne prevlake, promena debljine vezne i keramičke prevlake ZrO2MgO i termičke obrade na nivo i predznak zaostalih napona. Ustanovljeno je da se sa povećanjem ukupne debljine prevlaka povećava udeo zaostalih napona na površini i ivicama prevlaka.