Imbirovych, N.
(2024).
Modification of the surface of titanium alloys by the synthesis of coatings by the PEO method in alkaline electrolytes saturated with diatomite.
Commodity Bulletin,
17(1),
17-26.
https://doi.org/10.62763/ef/1.2024.17
ISSN 2310-5283
e-ISSN 3041-1432
УДК 67; 68; 33
Модифікація поверхні титанових сплавів синтезом покриттів методом ПЕО в лужних електролітах, насичених діатомітом
Отримано 17.12.2023, Доопрацьовано 20.02.2024, Прийнято 26.04.2024
Анотація
Одним із перспективних напрямків сучасного матеріалознавства є пошук методів покращення властивостей біосумісності металів, які використовуються в імплантології, що дозволить зменшити відсоток відторгнення імплантатів живим організмом. Тому перспективним є використання методів обробки для зміни стану поверхні металів за рахунок поверхневої модифікації, до яких належить метод плазмового електролітичного оксидування. Основною метою даної роботи була розробка технологічного процесу отримання покриттів з підвищеною біосумісністю порівняно з основним металом за рахунок введення до складу покриття природних компонентів. Наявність елементів у біопокриттях та їх кількість визначено за допомогою растрового електронного мікроскопа (SEM) та енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDS), що дозволило провести прицільний аналіз поверхні зразків. У роботі досліджено елементний склад покриттів, синтезованих на основі титанового сплаву в лужних електролітах на основі КОН, рідкого скла гідроксиду кальцію, поліфосфату натрію та пірофосфату натрію з додаванням гідроксиапатиту та діатоміту. Встановлено пряму залежність між складом електроліту та співвідношенням Са/Р. Доведено, що біопокриття, синтезовані в лужних розчинах методом ПЕО, задовольняють умови біосумісності. Встановлено, що в середовищі, яке містить луги та фосфати, синтезуються покриття, для яких Са/Р = 1,21. Введення в електроліт гідроксиапатиту призводить до збільшення співвідношення Са/Р до значення 1,28, а підвищення концентрації електроліту та додавання діатоміту збільшує це співвідношення до значення 1,57. Одержані результати свідчать про можливість широкого діапазону регулювання співвідношення Са/Р у біопокриття
Ключові слова:
елементний аналіз; біосумісність; хімічні властивості; режими синтезу; склад покриття
ЦИТУВАТИ
840 Переглядів
Використані джерела
[1] Azmat, A., Asrar, S., Channa, I.A., Ashfaq, J., Chandio, I.A., Chandio, A.D., Shar, M.A., AlSalhi, M.S., & Devanesan, S. (2023). Comparative study of biocompatible titanium alloys containing non-toxic elements for orthopedic implants. Crystals, 13(3), article number 467. doi: 10.3390/cryst13030467.
[2] Fazel, M., Salimijazi, H.R., Shamanian, M., Apachitei, I., & Zadpoor, A.A. (2019). Influence of hydrothermal treatment on the surface characteristics and electrochemical behavior of Ti-6Al-4V bio-functionalized through plasma electrolytic oxidation. Surface and Coatings Technology, 374, 222-231. doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.05.088.
[3] Ghobara, M., El-Sheekh, M., Hamed, A.F., Abdelhamid, M.A.A., & Pack, S.P. (2024). Diatom nanostructured biosilica. In A. Abomohra & S. Ende (Eds.), Value-added products from algae (pp. 461-492). New York: Springer.
[4] Gibbs, J.W. (1878). On the equilibrium of heterogeneous substances. American Journal of Science, s3-16(96), 441-458.
[5] Gu, Y., Ma, A., Jiang, J., Li, H., Song, D., Wu, H., & Yuan, Y. (2018). Simultaneously improving mechanical properties and corrosion resistance of pure Ti by continuous ECAP plus short-duration annealing. Materials Characterization, 138, 38-47. doi: 10.1016/j.matchar.2018.01.050.
[6] Hanawa, T. (2022). Biocompatibility of titanium from the viewpoint of its surface. Science and Technology of Advanced Materials, 23(1), 457-472. doi: 10.1080/14686996.2022.2106156.
[7] Imbirovych, N.Y., Zvirko, O.I., & Kurzydlowski, K.J. (2023). Morphology and porosity of titanium alloys surface after plasma-electrolytic oxidation in an alkaline environment with diatomite. Materials Science, 58(4).
[8] Jakubowicz, J. (2020). Special issue: Ti-based biomaterials: Synthesis, properties and applications. Materials, 13(7), article number 1696. doi: 10.3390/ma13071696.
[9] Jovović, J., Stojadinović, S., Šišović, N.M., & Konjević, N. (2012). Spectroscopic study of plasma during electrolytic oxidation of magnesium- and aluminium-alloy. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 113(15), 1928-1937. doi: 10.1016/j.jqsrt.2012.06.008.
[10] Korzhyk, V., Berdnikova, O., Stukhliak, P., Kushnarova, O., Zhao, J., & Skachkov, І. (2024). Strength and crack resistance structural criteria of composite coatings produced by the method of multi-chamber detonation spraying. Solid State Phenomena, 355, 123-129. doi: 10.4028/p-qjM7yA.
[11] Li, L., Shi, J., Zhang, K., Yang, L., Yu, F., Zhu, L., Liang, H., Wang, X., & Jiang, Q. (2019). Early osteointegration evaluation of porous Ti6Al4V scaffolds designed based on triply periodic minimal surface models. Journal of Orthopedic Translation, 19, 94-105. doi: 10.1016/j.jot.2019.03.003.
[12] Li, T., Yan, Z., Liu, Z., He, M., Yan, Y., & Chen, Y. (2022). High corrosion resistance and surface conductivity of (Ti1-xCrx)N coating for titanium bipolar plate. Corrosion Science, 200, article number 110256. doi: 10.1016/j.corsci.2022.110256.
[13] Li, X., Dong, C., Zhao, Q., Pang, Y., Cheng, F., & Wang, S. (2018) Characterization of microstructure and wear resistance of PEO coatings containing various microparticles on Ti6Al4V alloy. Journal of Materials Engineering and Performance, 27, 1642-1653. doi: 10.1007/s11665-018-3249-2.
[14] Maj, Ł., Muhaffel, F., Jarzębska, A., Trelka, A., Balin, K., Bieda, M., & Cimenoglu, H. (2024). Unveiling the mechanisms of coating formation during micro-arc oxidation of titanium in Na2HPO4 electrolyte. Surface and Coatings Technology, 476, article number 130224. doi: 10.1016/j.surfcoat.2023.130224.
[15] Malekmohammadi, F., Razaghian, A., & Dehghanian, C. (2020). Effect of Cl– and NO–3 ions on microstructure and properties of TiO2-CeO2 nanostructured composite coatings obtained through plasma electrolytic oxidation (PEO) on Ti6Al4V. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 56, 103-112. doi: 10.1134/S2070205120010153.
[16] Markashova, L., Tyurin, Y., Berdnikova, O., Kolisnichenko, O., Polovetskyi, I., & Titkov, Y. (2019). Effect of nano-structured factors on the properties of the coatings produced by detonation spraying method. In Advances in thin films, nanostructured materials, and coatings (рp.109-117). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-13-6133-3_11.
[17] Molaei, M., Nouri, M., Babaei, K., & Fattah-Alhosseini, A. (2021). Improving surface features of PEO coatings on titanium and titanium alloys with zirconia particles: A review. Surfaces and Interfaces, 22, article number 100888. doi: 10.1016/j.surfin.2020.100888.
[18] Montes-Hernandez, G., & Renard, F. (2020). Nucleation of brushite and hydroxyapatite from amorphous calcium phosphate phases revealed by dynamic in situ raman spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C, 124, 28, 15302-15311. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c04028.
[19] Pesode, P., & Barve, S. (2021). Surface modification of titanium and titanium alloy by plasma electrolytic oxidation process for biomedical applications: A review. Materials Today: Proceedings, 46(1), 594-602. doi: 10.1016/j.matpr.2020.11.294.
[20] Povstyanoy, O., Imbirovych, N., Redko, R., Redko, O., & Savaryn, P. (2024). Numerical evaluation of the properties of highly efficient titanium porous materials. In Advanced manufacturing processes V (pp. 307-317). New York: Springer. doi: 10.1007/978-3-031-42778-7_28.
[21] Subbotina, V., Bilozerov, V., Subbotin, O., Barmin, O., Hryhorieva, S., & Pysarska, N. (2022). Investigation of the influence of electrolyte composition on the structure and properties of coatings obtained by microarc oxidation. Physics and Chemistry of Solid State, 23(2), 380-386. doi: 10.15330/pcss.23.2.380-386.
[22] Subha, V., Raj, J.S., Anand, R.V., Sathya, S., Jothikumar, R., & Anusuya, M. (2023). Electrical discharge machining of titanium alloy using diatomite powder-mixed dielectric fluid based on response surface methodology. Materials Today: Proceedings. doi: 10.1016/j.matpr.2023.06.256.
[23] Tzaphlidou, M., Speller, R., Royle, G., Griffiths, J., Olivo, A., Pani, S., & Longo, R. (2005). High resolution Ca/P maps of bone architecture in 3D synchrotron radiation microtomographic images. Applied Radiation and Isotopes, 62(4), 569-575. doi: 10.1016/j.apradiso.2004.10.003.
[24] Yang, X., Ma, A., Liu, H., Jiang, J., Li, Y., & Sun, J. (2019). Microstructure and corrosion resistance of yellow MAO coatings. Surface Engineering, 35(4), 334-342. doi: 10.1080/02670844.2018.1445939.
[25] Zglobicka, I., Chmielewska, A., Topal, E., Kutukova, K., Gluch, J., Krüger, P., Kilroy, C., Swieszkowski, W., Kurzydlowski, K.J., & Zschech, E. (2019). 3D diatom-designed and selective laser melting (SLM) manufactured metallic structures. Scientific Reports, 9, article number 19777. doi: 10.1038/s41598-019-56434-7.
[26] Zhou, J., Wang, X., & Zhao, L. (2019). Antibacterial, angiogenic, and osteogenic activities of Ca, P, Co, F, and Sr compound doped titania coatings with different Sr content. Scientific Reports, 9, article number 14203. doi: 10.1038/s41598-019-50496-3.