Phasenbildung und Oberflächeneigenschaften von ionenimplantierten, biokompatiblen Titanlegierungen unterschiedlicher Zusammensetzung

• Main Author: Steinbauer, Ute
• Format: Others
• Language: German; de
• Published: 2003
• Online Access: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/284/1/Titanlegierungen.pdf; Steinbauer, Ute <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Steinbauer=3AUte=3A=3A.html> : Phasenbildung und Oberflächeneigenschaften von ionenimplantierten, biokompatiblen Titanlegierungen unterschiedlicher Zusammensetzung. [Online-Edition] Technische Universität, Darmstadt [Ph.D. Thesis], (2003)

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Ionen-Implantation auf das Korrosionsverschleissverhalten biokompatibler Titanlegierung (Ti-6Al-7Nb, Ti-15Zr-4Nb-4Ta, Ti-35Zr-10Nb und Ti-45Nb) waehrend anodischer Polarisation untersucht. Das Gefuege, die Phasenbildung sowie die Tiefenverteilung der implantierten Ionen werden analysiert und deren Auswirkung auf die Oberflaecheneigenschaften untersucht. Kohlenstoff, Stickstoff und Gold werden unter Bedingungen implantiert, die einen positiven Einfluss auf das Korrosions- und Verschleissverhalten erwarten lassen. Die Nichtmetalle werden mit Energien von 120 bzw. 130 keV und 60 keV mit Gesamtdosen von 3 und 5 1017cm?2 implantiert. Bei Gold wird eine Gesamtdosis von 1 1016cm?2 bei einer Energie von 150 keV gewaehlt. Analytische Untersuchungen werden mit Roentgenbeugung bei streifendem Einfall, Hochenergie-Rueckstreu-Spektroskopie sowie Photonenelektronen-Spektroskopie durchgefuehrt. Das Polarisationsverhalten wird durch Stromdichte-Potential-Messungen in physiologischer Kochsalz-Loesung charakterisiert. Zur Untersuchung des Korrosionsverschleisses wird eine Stift-Scheibe-Apparatur mit einer Drei-Elektroden-Anordnung verwendet, welche es erlaubt, Stromdichte-Potential-Messungen bei gleichzeitiger Reibungsbean-spruchung gegen PMMA (Knochenzement) durchzufuehren. Bei Ti-6Al-7Nb bzw. Ti-15Zr-4Nb-4Ta liegt ein (a+b)-Duplex-Gefuege bzw. ein fein lamellares (a+b)-Gefuege mit einer Haerte von ca. 3,6 bzw. 2,6 GPa vor. Ti-35Zr-10Nb weist ein martensitisches a´-Gefuege mit einer Haerte von 2,2 GPa auf. Ti-45Nb besitzt ein globulares b-Gefuege mit einer Haerte von 1,45 GPa. Nicht-implantierte Proben sind mit einer 3 bis 4 nm dicken Oxidschicht bedeckt. Die Oxidschicht besteht aus unterschiedlichen Oxiden der Legierungselemente. Kohlenstoff- bzw. Stickstoff-Implantation erhoeht die Oxidfilmdicke geringfuegig. Die Tiefenverteilung und Konzentration der implantierten Elemente ist legierungsunabhaengig. Implantierter Kohlenstoff bzw. Stickstoff reicht in eine Tiefe von 400 bzw. 500 nm, Gold bis 100 nm. Die Maximalkonzentration von Kohlenstoff bzw. Stickstoff betraegt etwa 55 At.% bzw. 45 At.%. Der Sauerstoff- angereicherte Bereich reicht bei nicht-implantierten Legierungen in eine Tiefe von 50 nm. Durch den Implantationsprozess wird der Sauerstoffgehalt im oberflaechennahen Bereich deutlich vergroessert. Implantation von Kohlenstoff und Stickstoff fuehrt zur Bildung von Titancarbid und Titannitrid, die Bildung intermetallischer Phasen nach Gold-Implantation wird nicht beobachtet. In allen Implantationsschichten liegen a-Titan und b-Titan vor. Stickstoff-Implantation mit den verwendeten Bedingungen fuehrt zur Bildung von Blasen. Oberflaechenschaedigung tritt nach Kohlenstoff- und Gold-Implantation nicht auf. Nicht-implantierte Proben bleiben bei anodischer Polarisation in physiologischer Kochsalz-Loesung passiv. Nach Ionen-Implantation beginnt die Anreicherung der implantierten Elemente an der Probenoberflaeche und fuehrt bei allen Legierungen zu einer Veraenderung der Ruhepotentiale in positive Richtung sowie zu einer Absenkung der Stromdichte. Das Durchbruchspotential ist von der implantierten Ionensorte und der Legierungszusammensetzung abhaengig. Implantation von Kohlenstoff loest bei allen Legierungen Lochfrasskorrosion aus. Stickstoff-Implantation fuehrt bei Aluminium-haltigen Legierungen zum Lochfrass, Aluminium-freie Legierungen bleiben passiv. Nach Gold-Implantation bleiben alle Legierungen passiv. Nach Kohlenstoff- und Stickstoff-Implantation bilden sich bei Ti-6Al-7Nb oberhalb des Durchbruchspotentials sehr viele kleine Korrosionsloecher. Bei Kohlenstoff-implantierten zirkoniumhaltigen Proben entstehen kreisaehnliche Korrosionsloecher. Bei Ti-45Nb werden die b-Koerner auf der gesamten Ober-flaeche aufgeloest. Reibungsbeanspruchung fuehrt zu einer starken Erniedrigung des Durchbruchspotentials bei Kohlenstoff-implantierten Proben. Stickstoff-implantierte Proben, die ohne Reibbeanspruchung passiv sind, bleiben auch unter Reibung passiv. Waehrend der Korrosionsverschleissbeanspruchung zerkratzen die nicht-implantierten Legierungsoberflaechen durch abgeloeste agglomerierte Oxid-partikel. Das b-Gefuege besitzt die groesste Verschleissbestaendigkeit trotz niedriger Haerte. Eine ausgepraegte Haerteerhoehung wird nach Kohlenstoff- und Stickstoff-Implantation erzielt, und die Verschleissbestaendigkeit ist signifikant erhoeht. Es werden waehrend Reibbeanspruchung bei Stromdichte-Potential-Messungen keine Kratzspuren auf der Probenoberflaeche gebildet. Nach Gold- Implantation ergibt sich keine wesentliche AEnderung des Verschleissverhaltens.