• عنوان

    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

  • نويسنده اصلي

    ابراهيمي، مرضيه

  • محل تحصيل
    اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
  • رشته تحصيلي
    مهندسي مواد
  • مقطع تحصيلي
    دكتري
  • چكيده
    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.
  • شماره ركورد
    229620
  • گرايش رشته تحصيلي
    مهندسي مواد
  • دانشكده
    مهندسي مواد
  • دانشگاه
    دانشگاه صنعتي اصفهان