mikrostruktura i właściwości nanokrystalicznego tytanu

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 25
Inżynieria Materiałowa
2010
Halina Garbacz
Wydział Inżynierii Materiałowej
MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI
NANOKRYSTALICZNEGO TYTANU
Rękopis dostarczono 14.07.2010 r.
W pracy przeprowadzono analizę właściwości użytkowych nanokrystalicznego tytanu (n-Ti) na
przykładzie materiału otrzymanego metodą wyciskania hydrostatycznego. Ustalono wpływ czynników mikrostrukturalnych na właściwości mechaniczne, odporność na korozję, a także biozgodność
i zużycie tribologiczne. Materiałami odniesienia były mikrokrystaliczny tytan i stop Ti6Al4V. Omówiono metody wytwarzania nanokrystalicznego tytanu, w przypadku których wykorzystuje się duże
odkształcenie plastyczne. Uzyskane wyniki badań potwierdziły dużą efektywność w tym zakresie wyciskania hydrostatycznego. Nanokrystaliczny tytan wytwarzany metodą wyciskania hydrostatycznego charakteryzuje się dużą wytrzymałością na rozciąganie, porównywalną z wytrzymałością stopów
tytanu, zachowując przy tym zadowalającą plastyczność. Stwierdzono, że szczególną zaletą n-Ti ze
względu na potencjalne zastosowania na implanty jest jego wytrzymałość właściwa, znacznie większa od wytrzymałości mikrokrystalicznego tytanu i stopu Ti6Al4V. Wykazano, że wpływ nanostruktury na wartość modułu sprężystości stanowi zagadnienie wieloaspektowe i wymaga dalszej weryfikacji
poprzez zastosowanie innych metod eksperymentalnych. Podjęto również badania stabilności cieplnej nanokrystalicznego tytanu. Określono wartość temperatury homologicznej, do której właściwości mechaniczne n-Ti nie ulegają zmianie. Zaobserwowano także, że rozdrobnienie ziarna do rozmiarów nanometrycznych zwiększa wytrzymałość zmęczeniową tytanu. Ustalono, że wpływ umocnienia
granicami ziaren jest w tym przypadku słabszy w porównaniu z umocnieniem roztworowym tytanu.
Otrzymane wyniki wskazują, że w układach tarciowych z polietylenem n-Ti charakteryzuje się mniejszym współczynnikiem tarcia od mikrokrystalicznego tytanu i stopu Ti6Al4V. Stwierdzono, że nanokrystaliczny tytan zachowuje się w środowiskach symulujących płyny ustrojowe podobnie do mikrokrystalicznego tytanu. Warstwa pasywna na n-Ti ma jednak lepsze właściwości ochronne, wynikające
z większej prędkości jej odbudowy. W badaniach biologicznych nie zaobserwowano wyraźnego wpływu nanostruktury na wzrost biozgodności tytanu, choć analiza budowy i morfologii komórek wskazuje na większe zaawansowanie procesu kolonizacji komórek osteoblastów na nanokrystalicznym podłożu. Wykazano, że właściwości użytkowe nanokrystalicznego tytanu mogą być kształtowane poprzez
obróbkę powierzchniową odpowiednio dobraną do danego zastosowania.
Słowa kluczowe: tytan, nanomateriały, duże odkształcenie plastyczne, mikrostruktura, właściwości mechaniczne, odporność na korozję, biozgodność.