طراحي و اصلاح سطح كاشتني متخلخل Ti-6Al-4V ساخته شده به روش ذوب ليزري بستر پودر به منظور كاربرد در ديسك بين مهره اي ستون فقرات

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

علي رغم كاربرد گسترده كاشتني هاي متخلخل Ti-6Al-4V ساخته شده به روش هاي ساخت افزودني (AM)، اين كاشتني ها به دليل همبندي پايين با استخوان، رفتار تريبولوژيكي ضعيف و امكان رهايش يونهاي مضر كه مي توانند خطر ايجاد عفونت را افزايش دهند، با چالش هايي روبرو هستند. بر همين اساس، اين پژوهش در دو فاز شامل طراحي و ساخت كاشتني هاي متخلخل Ti-6Al-4V و اصلاح سطح آنها با هدف رفع چالش هاي مذكور انجام شده است. بدين منظور، در فاز اول، كاشتني هايي با سلول واحد جي رويد و درصد تخلخل متفاوت به روش ساخت افزودني ذوب ليزري بستر پودر (LPBF) با هدف نزديك كردن خواص مكانيكي كاشتني به خواص مكانيكي ديسك بين مهره اي ستون فقرات طراحي و ساخته شدند. در اين بخش به ارزيابي اثرات متغيرهاي هندسي و عمليات حرارتي بر رفتار مكانيكي و خوردگي كاشتني ها پرداخته شد. ارزيابي هاي مكانيكي نشان داد كه با افزايش اندازه حفرات و انجام عمليات حرارتي، استحكام تسليم و مدول يانگ نمونه هاي كاشتني به مقادير مربوط به ديسك بين مهره اي ستون فقرات نزديك شده اند. بررسي هاي الكتروشيميايي در محلول بافر فسفات سالين (PBS) در دماي °C 37 نشان داد كه افزايش اندازه حفره به دليل كاهش سطح در معرض الكتروليت و عمليات حرارتي به واسطه تشكيل فاز تعادلي منجر به بهبود عملكرد خوردگي كاشتني ها شد. در انتهاي فاز اول، كاشتني متخلخل با بالاترين اندازه حفره (m 1500) و كمترين ضخامت ديواره (m 300) براي ادامه پژوهش در فاز دوم انتخاب شد. از آنجايي كه رفتار تريبولوژيكي ضعيف و امكان رهايش يون هاي مضر مي توانند كاربرد آلياژ Ti-6Al-4V را براي ساخت كاشتني با چالش مواجه سازند، در فاز دوم، اصلاح سطح كاشتني ها با روش هاي اكسيداسيون الكتروليتي پلاسمايي (PEO) و رسوب فيزيكي بخار (PVD) به روش كندوپاش مغناطيسي به طور متوالي، به منظور بهبود عملكرد تريبولوژيكي و رفتار زيستي مد نظر قرار گرفت. همچنين، نقش عمليات اصلاح سطح بر رفتار خستگي كاشتني هاي متخلخل نيز ارزيابي شد. روشPEO براي بهبود عملكرد زيستي و روش PVD براي اعمال پوشش هاي چندلايه نيوبيوم/ نيتريد نيوبيوم (Nb/NbN) با پيكربندي هاي مختلف يك لايه، دو لايه و سه لايه با هدف بهبود عملكرد تريبولوژيكي و امكان ايجاد خاصيت ضدباكتريايي براي كاشتني ها به واسطه ماهيت مقاوم به سايش پوشش هاي نيتريدي و تغيير در توپوگرافي سطحي انجام گرفت. مشخص گرديد كه با افزايش ضخامت، تعداد و قطر ريزحفرات ناشي از PEO كاهش يافته و سطح هموارتر گرديده است. يافته ها مؤيد آن است كه اصلاح سطح كاشتني ها به روش PEO/PVD در مقايسه با كاشتني هاي اصلاح سطح نشده/اصلاح سطح شده باPEO ، رفتار تريبولوژيكي بهتري از خود بروز داده اند. در گروه كاشتني هاي اصلاح سطح شده با PEO/PVD ، نرخ سايش پوشش Nb/NbN دو لايه اي در مقايسه با زيرلايه Ti-6Al-4V در حدود 90% كاهش يافت. آزمون خستگي نشان داد كه اصلاح سطح منجر به كاهش عمر خستگي در كاشتني-هاي متخلخل گرديد. تضعيف عمر خستگي نمونه هاي اصلاح سطح شده با PEO به وجود ريزحفرات، ريزترك ها و زبري بالا به عنوان مكان هاي مستعد جوانه زني ترك خستگي نسبت داده شد. با اين حال، نتايج نشان داد كه لايه نشاني پوشش هاي چندلايهNb/NbN بر سطح كاشتني هاي اصلاح سطح شده باPEO ، از طريق كاهش تخلخل و زبري سطح، عمر خستگي را نسبت به كاشتني اصلاح سطح شده با PEO بهبود مي بخشد. با افزايش ضخامت پوشش هاي چند لايه Nb/NbN، عمر خستگي به كاشتني اصلاح سطح نشده نزديك تر شد به گونه اي كه عمر خستگي براي كاشتني هاي اصلاح سطح شده با PEO/PVD در نمونه¬هاي با Nb/NbN دو لايه اي وNb/NbN سه لايه اي به ترتيب به حدود 81 % و 84 % عمر خستگي نمونه هاي اصلاح سطح نشده رسيد. يافته ها نشان داد كه اصلاح سطح با تغيير در توپوگرافي سطحي منجر به بهبود رفتار زيستي كاشتني Ti-6Al-4V از ديدگاه زيست فعالي و چسبندگي سلولي گرديد. علاوه بر اين، ارزيابي هاي ضدباكتريايي مؤيد آن بود كه ايجاد توپوگرافي سطحي هدفمند (ريزحفرات ميكرو/نانو مقياس) پس از لايه نشاني پوشش هاي Nb/NbN دو لايه اي بر سطح كاشتني هاي اصلاح سطح شده با PEO ، منجر به كاهش چسبندگي باكتري ها به سطح شده است. در مجموع، به نظر مي رسد اصلاح سطح كاشتني ها به روشPEO/PVD رفتار تريبولوژيكي و زيستي را ارتقاء داده، و تأثير منفي نسبتاً كمي بر عمر خستگي كاشتني بر جاي مي گذارد. بر اين اساس، اصلاح سطح هدفمند كاشتني¬Ti-6Al-4V به روش PEO/PVD به عنوان يك گزينه اميدبخش جهت كاربرد در ديسك بين مهره اي ستون فقرات ساخته شده به روش ساخت افزودني ذوب ليزري بستر پودر پيشنهاد مي شود.

229620

مهندسي مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان