Oxidick vrstvy na titanovch slitinch pro lkask aplikace

Oxidické vrstvy na titanových slitinách pro lékařské aplikace Ing. Zdeněk Tolde Ústav materiálu, fakulta strojní, České vysoké učení technické v Praze Školitel Prof. RNDr. Petr Špatenka CSc. zdenek. tolde@fs. cvut. cz Titanové slitiny jsou díky svým vlastnostem, mezi které patří vysoká měrná pevnost, korozní odolnost a biokompatibilita, důležitými materiály v oblasti bioaplikací. Titanová β slitina Ti. Nb (konkrétně se jedná o slitinu Ti 39 Nb (wt%), která je vhodná pro budoucí využití pro výrobu kostních implantátů), vykazuje nízký modul pružnosti (E = 60 GPa) v porovnání například s klasickými korozivzdornými ocelemi AISI 316 L (E = 200 GPa) nebo titanovou α + β slitinou Ti 6 Al 4 V (E = 115 GPa), jenž jsou v současnosti nejpoužívanějšími materiály pro výrobu kostních a kloubních implantátů [1] Titan a jeho slitiny jsou schopné na svém povrchu vytvářet tenkou oxidickou vrstvu složenou s oxidů Tabulka 2: Tabulka vybraných parametrů a vlastností Ti 39 Nb povlaků Modul Tvrdost Drsnost povlaku základního kovu (u slitiny Ti. Nb se jedná především o Substrát pružnosti povlaku Ra [� m] oxid titaničitý Ti. O 2 a oxid niobičný Nb 2 O 5), které chrání základní materiál před korozí. Této Er [MPa] [GPa] vlastnosti je využíváno při modifikaci povrchů Ti 39 Nb 100+/-2. 5 3. 8+/- 0. 14 0. 093+/-0. 047 titanových slitin metodou anodické oxidace, kdy jsme Ti 116+/-3. 37 4. 1+/-0. 22 0. 13+/-0. 008 schopni vhodnými podmínkami procesu upravovat vlastnosti oxidické vrstvy (krystalická struktura, Ti 6 Al 4 V 115+/-3. 15 4. 1+/-0. 19 0. 10+/-0. 005 tloušťka, nanostruktura povrchu) dle pracovních Steel 127+/-3. 88 4. 38+/-0. 28 0. 08+/-0. 012 požadavků na konkrétní materiál. a) b) c) Obrázek 1: SEM snímek anodické oxidické vrstvy pro, anodické napětí 20 V, čas oxidace 2 h, detektor SEI i LEI: a) Ti 39 Nb/Ti zvětšení 30 000 x, měřítko 100 nm. b) Ti 39 Nb/Ti 6 Al 4 V zvětšení 30 000 x, měřítko 100 nm, c) Ti 39 Nb/Ti 6 Al 4 V zvětšení 100 000 x, měřítko 100 nm Obrázek 2: X-ray difrakce Ti 39 Nb vrstev na různých substrátech Obrázek 3 vpravo: SEM Ti 39 Nb/Ti 39 Nb Obrázek 4 vlevo: AFM Ti 39 Nb/Ti 39 Nb Pro praktické využití a z důvodu chemické čistoty povrchu vzorku byl na základní materiál nanášen metodou PVD povlak Ti 39 Nb. Vzorky Ti, Ti 39 Nb, Ti 6 Al 4 V a Fe byly naprášeny povlakem Ti 39 Nb. Byly studovány případné změny základních mechanických parametrů, jednak substrátu a pak i povlaku (metoda XPS a elektronová mikroskopie). Tabulka 1: Popis používaného základního materiálu Obrázek 5 vpravo: SEM Ti 39 Nb/Ti Obrázek 6 vlevo: AFM Ti 39 Nb/Ti (základní vybrané charakteristiky) Fáze Substrát substrát u Ti 39 Nb Ti Ti 6 Al 4 V Drsnost Chemické povrchu složení beta Ti + 39 wt. %Nb Ti – alpha Ti Ti – Ti + alpha+be 6 wt% Al, ta 4 wt. %V, pružnost substrátu i Ra [� m] Ti – Modul 0. 058+/0. 006 Er[MPa] 95+/-2. 5 Tvrdost substrát u (GPa) 3. 1+/0. 09 0. 047+/- 135+/- 2. 3+/- 0. 005 2. 1 0. 035+/- 143+/- 4. 0+/- 0. 003 1. 3 0. 11 19, Ni Steel e 13 -15, Mo 2. 25 - Obrázek 9 vpravo: SEM Ti 39 Nb/Fe Obrázek 10 vlevo: AFM Ti 39 Nb/Fe Poděkování Cr 17 Austenit Obrázek 7 vpravo: SEM Ti 39 Nb/Ti 6 Al 4 V Obrázek 8 vlevo: AFM Ti 39 Nb/Ti 6 Al 4 V 0. 013+/- 216+/- 4. 5+/- 0. 005 2. 6 1. 18 Rád bych poděkoval svým kolegům a všem ostatním, se kterými jsem spolupracoval při řešení otázek disertační práce. Chci poděkovat prof. RNDr. Petru Špatenkovi CSc. , za cenné rady a vedení. Můj velký dík také doc. RNDr. Vladimíru Starému CSc. za četné metodické rady a připomínky. Velmi si vážím jeho odbornosti, ochoty, lidského a korektního jednání.