اثر هندسه پین بر ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت‌های سطحی HA-Ti تولید شده به روش FSP

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

امیرحسین شهباز ¹ , مهرداد عباسی ² , حامد ثابت ³

1 - دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مواد، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی ، کرج، ایران
2 - استادیار، گروه مهندسی مواد، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی ، کرج، ایران
3 - دانشیار، گروه مهندسی مواد، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی ، کرج، ایران

تاريخ الإرسال : 01 السبت , رجب, 1445 تاريخ التأكيد : 04 الخميس , رمضان, 1445 تاريخ الإصدار : 05 الأحد , محرم, 1445

الکلمات المفتاحية: خواص مکانیکی, هیدروکسی آپاتیت, جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی, تیتانیوم, هندسه پین,

ملخص المقالة :

چکیده
مقدمه: تیتانیوم و هیدروکسی آپاتیت (HA) به طور گسترده در صنایع مختلف به ویژه پزشکی و ایمپلنت‌ها استفاده می‌شوند. در این میان، فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSP) یکی از بهترین روش ها برای ساخت کامپوزیت های سطح Ti/HA است.
روش: این تحقیق به طور خاص به بررسی تأثیر هندسه پین در فرایند FSP بر ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت‌های سطحی Ti/HA می‌پردازد. در این راستا از پارامترهای فرایند شامل پین‌های مثلثی، مربعی، و مخروط ناقص و سرعت‌های دورانی rpm 1150 و 1250 و سرعت خطی 30 و 45 میلی‌متر در دقیقه استفاده شد. مشخصه‌یابی کامپوزیت‌های سطحی Ti/HA با کمک FESEM، آزمون پراش اشعه ایکس، تحلیل طیف سنج پراکندگی انرژی (EDS) و آزمون کشش انجام شد.
یافته­ ها: نتایج بررسی ریزساختار نشان داد که هندسه پین به شکل مثلثی سبب عدم امتزاج پودر HA در بستر تیتانیوم می‌شود. همچنین مشخص شد که در سرعت دورانی بالاتر، در پین‌های مربعی و مخروطی ناقص، به دلیل کاهش نقص‌ها مانند حفره‌ها و ترک‌ها، امتزاج به میزان بیشتری رخ می‌دهد. مقادیر استحکام کشش نهایی برای پین مربعی با سرعت خطی mm/min 30 و 45 به ترتیب 772 و 605 مگاپاسکال، و در پین مخروطی ناقص با سرعت خطی mm/min 30 و 45 به ترتیب 894 و 747 مگاپاسکال به دست آمد. بنابراین مشخص شد که استحکام کششی نهایی با افزایش سرعت خطی، در هر دو هندسه پین مربعی و مخروط ناقص کاهش می‌یابد و همواره استحکام کششی نهایی در نمونه‌های FSPشده با پین مخروطی بیشتر از پین مربعی است.
نتیجه­ گیری: این نتایج نشان می‌دهند که پارامترهای فرایند به طور قابل توجهی بر خواص مکانیکی قطعه تأثیرگذار است.

المصادر:

1.         Lin M-H, Wang Y-H, Kuo C-H, Ou S-F, Huang P-Z, Song T-Y, et al. Hybrid ZnO/chitosan antimicrobial coatings with enhanced mechanical and bioactive properties for titanium implants. Carbohydrate Polymers. 2021;257:117639 DOI: 10.1016/j.carbpol.2021.117639.

2.         Priyadarshini B, Rama M, Chetan, Vijayalakshmi U. Bioactive coating as a surface modification technique for biocompatible metallic implants: a review. Journal of Asian Ceramic Societies. 2019;7(4):397-406 DOI: 10.1080/21870764.2019.1669861.

3.         López-Valverde N, Flores-Fraile J, Ramírez JM, Macedo de Sousa B, Herrero-Hernández S, López-Valverde A. Bioactive Surfaces vs. Conventional Surfaces in Titanium Dental Implants: A Comparative Systematic Review. Journal of Clinical Medicine. 2020;9(7) DOI: 10.3390/jcm9072047.

4.         Kurup A, Dhatrak P, Khasnis N. Surface modification techniques of titanium and titanium alloys for biomedical dental applications: A review. Materials Today: Proceedings. 2021;39:84-90 DOI: 10.1016/j.matpr.2020.06.163.

5.         Jaafar A, Hecker C, Árki P, Joseph Y. Sol-Gel Derived Hydroxyapatite Coatings for Titanium Implants: A Review. Bioengineering. 2020;7(4) DOI: 10.3390/bioengineering7040127.

6.         Fathi A, Ahmed M, Afifi M, Menazea A, Uskoković V. Taking hydroxyapatite-coated titanium implants two steps forward: surface modification using graphene mesolayers and a hydroxyapatite-reinforced polymeric scaffold. ACS biomaterials science & engineering. 2020;7(1):360-72 DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c01105.

7.         Ke D, Vu AA, Bandyopadhyay A, Bose S. Compositionally graded doped hydroxyapatite coating on titanium using laser and plasma spray deposition for bone implants. Acta Biomaterialia. 2019;84:414-23 DOI: 10.1016/j.actbio.2018.11.041.

8.         Bal Z, Kaito T, Korkusuz F, Yoshikawa H. Bone regeneration with hydroxyapatite-based biomaterials. Emergent Materials. 2020;3(4):521-44 DOI: 10.1007/s42247-019-00063-3.

9.         Ji G, Zou Y, Chen Q, Yao H, Bai X, Yang C, et al. Mechanical properties of warm sprayed HATi bio-ceramic composite coatings. Ceramics International. 2020;46(17):27021-30 DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.07.179.

10.       Zhu L, Ye X, Tang G, Zhao N, Gong Y, Zhao Y, et al. Biomimetic coating of compound titania and hydroxyapatite on titanium. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2007;83A(4):1165-75 DOI: 10.1002/jbm.a.31401.

11.       Rungcharassaeng K, Lozada JL, Kan JYK, Kim JS, Campagni WV, Munoz CA. Peri-implant tissue response of immediately loaded, threaded, HA-coated implants: 1-year results. The Journal of Prosthetic Dentistry. 2002;87(2):173-81 DOI: 10.1067/mpr.2002.121111.

12.       Zheng X, Huang M, Ding C. Bond strength of plasma-sprayed hydroxyapatite/Ti composite coatings. Biomaterials. 2000;21(8):841-9 DOI: 10.1016/S0142-9612(99)00255-0.

13.       Arifin A, Sulong AB, Muhamad N, Syarif J, Ramli MI. Material processing of hydroxyapatite and titanium alloy (HA/Ti) composite as implant materials using powder metallurgy: A review. Materials & Design. 2014;55:165-75 DOI: 10.1016/j.matdes.2013.09.045.

14.       Yang S, Li W, Man HC. Laser cladding of HA/Ti composite coating on NiTi alloy. Surface engineering. 2013;29(6):409-31 DOI: 10.1179/1743294413Y.0000000115.

15.       Rahmati R, Khodabakhshi F. Microstructural evolution and mechanical properties of a friction-stir processed Ti-hydroxyapatite (HA) nanocomposite. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018;88:127-39 DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.08.025.

16.  Molla Ramezani, N., Davoodi, B., Farahani, M. Surface integrity of metal matrix nanocomposite produced by friction stir processing (FSP). J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 2019; 41:503. https://doi.org/10.1007/s40430-019-2014-2

17.       Yousefpour F, Jamaati R, Jamshidi Aval H. Investigation of microstructure, crystallographic texture, and mechanical behavior of magnesium-based nanocomposite fabricated via multi-pass FSP for biomedical applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2022;125:104894 DOI: 10.1016/j.jmbbm.2021.104894.

18.       Liu W, Liu S, Wang L. Surface Modification of Biomedical Titanium Alloy: Micromorphology, Microstructure Evolution and Biomedical Applications. Coatings. 2019;9(4) DOI: 10.3390/coatings9040249.

19.       Hakakzadeh M, Jafarian HR, Seyedein SH, Eivani AR, Park N, Heidarzadeh A. Production of Ti-CNTs surface nanocomposites for biomedical applications by friction stir processing: Microstructure and mechanical properties. Materials Letters. 2021;300:130138 DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130138.

20- لطفی, بهنام, پورچینی, پوریا, صادقیان, زهره. (1398). تولید و مشخصه یابی کامپوزیت درجای Al-Al3Ti تولید شده به روش FSP با استفاده از پودر پیش فعال آسیاکاری شده. فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین, 10(38), 1-16.

21.       Khodabakhshi F, Rahmati R, Nosko M, Orovčík L, Nagy Š, Gerlich AP. Orientation structural mapping and textural characterization of a CP-Ti/HA surface nanocomposite produced by friction-stir processing. Surface and Coatings Technology. 2019;374:460-75 DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.06.009.

22.       Shahbaz A, Abbasi M, Sabet H. Effect of microstructure on mechanical, electrochemical, and biological properties of Ti/HA surface composites fabricated by FSP method. Materials Today Communications. 2023;37:107305 DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.107305.

23.       El-Sayed MM, Shash AY, Abd-Rabou M, ElSherbiny MG. Welding and processing of metallic materials by using friction stir technique: A review. Journal of Advanced Joining Processes. 2021;3:100059 DOI: 10.1016/j.jajp.2021.100059.

24.       Bharti S, Ghetiya ND, Patel KM. A review on manufacturing the surface composites by friction stir processing. Materials and Manufacturing Processes. 2021;36(2):135-70 DOI: 10.1080/10426914.2020.1813897.

25.       García-Galvan FR, Fajardo S, Barranco V, Feliu S. Experimental Apparent Stern–Geary Coefficients for AZ31B Mg Alloy in Physiological Body Fluids for Accurate Corrosion Rate Determination. Metals. 2021;11(3) DOI: 10.3390/met11030391.

26.       Dinaharan I, Murugan N, Akinlabi ET. Friction stir processing route for metallic matrix composite production. 2021.

27.       Mishra RS, Ma ZY. Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2005;50(1):1-78 DOI: 10.1016/j.mser.2005.07.001.

28.       Rubtsov V, Chumaevskii A, Gusarova A, Knyazhev E, Gurianov D, Zykova A, et al. Macro- and Microstructure of In Situ Composites Prepared by Friction Stir Processing of AA5056 Admixed with Copper Powders. Materials. 2023;16(3) DOI: 10.3390/ma16031070.

29.       Asadi P, Faraji G, Besharati MK. Producing of AZ91/SiC composite by friction stir processing (FSP). The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2010;51(1):247-60 DOI: 10.1007/s00170-010-2600-z.

30.       Jenkins R, Snyder RL. Introduction to X-ray Powder Diffractometry (Volume 138): Wiley Online Library; 1996.

31.       Raaft M, Mahmoud TS, Zakaria HM, Khalifa TA. Microstructural, mechanical and wear behavior of A390/graphite and A390/Al2O3 surface composites fabricated using FSP. Materials Science and Engineering: A. 2011;528(18):5741-6 DOI: 10.1016/j.msea.2011.03.097.

32.       Chong Y, Tsuru T, Guo B, Gholizadeh R, Inoue K, Tsuji N. Ultrahigh yield strength and large uniform elongation achieved in ultrafine-grained titanium containing nitrogen. Acta Materialia. 2022;240:118356 DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118356.

33.       Zhang HJ, Liu HJ, Yu L. Microstructure and mechanical properties as a function of rotation speed in underwater friction stir welded aluminum alloy joints. Materials & Design. 2011;32(8):4402-7 DOI: 10.1016/j.matdes.2011.03.073.

34. Poondla, N., T.S. Srivatsan, A. Patnaik, and M. Petraroli, A study of the microstructure and hardness of two titanium alloys: Commercially pure and Ti–6Al–4V. Journal of Alloys and Compounds, 2009. 486(1): p. 162-167.