Автоматичне зварювання, 2024, №06



2024 №06 (03)

DOI of Article 10.37434/as2024.06.04

2024 №06 (05)

---

Журнал «Автоматичне зварювання», № 6, 2024, с. 23-29

Формування пористих покриттів на титанових сплавах методом плазмоелектролітного оксидування в лужних електролітах, насичених фосфатами та біо-добавками

Н.Ю. Імбірович¹, О.Ю. Повстяной¹, К.Я. Куржидловський², В.В. Ткачук¹

¹Луцький національний технічний університет.43018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75. E-mail: n.imbirovych@lntu.edu.ua
²Білостоцький технологічний університет. 15-351, м. Білосток, вул. Вєйська, 45A, Польща

Розроблено екологічно чисті електроліти для забезпечення формування покриттів на основі титанових сплавів плазмоелектролітною обробкою, які містять фосфати у вигляді натрію пірофосфату (Na4P2O7) та натрію гексаметофосфату (Na6P6O18), кальцієвмісні компоненти у вигляді гідроксиду кальцію та гідроксилапатиту, а також біодобавку у вигляді діатоміту в різних концентраціях. Дослідження стадійності формування ПЕО-покриттів представлено за допомогою часових залежностей зміни напруги на аноді в процесі обробки. Представлені залежності дали змогу встановити оптимальне співвідношення густини струмів Іа/Ік, за яких формуються рівномірні покриття. Експериментальними дослідженнями встановлено наскрізну пористість синтезованих ПЕО-покриттів за різних режимів. Показано, що покриття, які утворюються в електроліті з фосфатами, характеризуються максимальним показником такої пористості (0,75 %), у той час як високе водопоглинання характерне для покриттів, сформованих в електроліті з діатомітом, що становить 1,21 % проти 0,6 %. Такі значення задовільняють умовам біосумісності матеріалів. Бібліогр. 39, рис. 7.
Ключові слова: плазмоелектролітне оксидування; синтез, біосумісність, покриття, пористість, товщина


Надійшла до редакції 17.07.2024
Отримано у переглянутому вигляді 02.09.2024
Прийнято 20.11.2024

Список літератури

1. Imbirovych, N., Boyarska, I., Povstyanoy, O. et al. (2023) Modification of oxide coatings synthesized on zirconium alloy by the method of plasma electrolytic oxidation. AIP Conference Proceedings, 2949(1), 020011. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0165655
2. Povstyanoy, O., Imbirovich, N., Redko, R. et al. (2024) Numerical evaluation of the properties of highly efficient titanium porous materials. Eds by V., Tonkonogyi, V. Ivanov et al. In: Advanced Manufacturing Processes InterPartner 2023. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham., 307–317. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-42778-7_28
3. Duan, H., Yan, C., Wang, F. (2007) Growth process of plasma electrolytic oxidation films formed on magnesium alloy AZ91D in silicate solution. Electrochim. Acta, 52(12), 5002–5009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.02.021
4. Tillous, K., Toll-Duchanoy, T., Bauer-Grosse, E. et al. (2009) Microstructure and phase composition of microarc oxidation surface layers formed on aluminium and its alloys 2214-T6 and 7050-T74. Surf. Coat. Technol., 203(19), 2969–2973. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.03.021
5. Curran, J.A., Clyne, T.W. (2005) Thermo-physical properties of plasma electrolytic oxide coatings on aluminium. Surf. Coat. Technol., 199(2-3), 168–176. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.09.037
6. Petrosyanis, A.A., Malyshev, V.N., Fedorov, V.A., Markov, G.A. (1984) Wear kinetics of coatings made by microarcing oxidation. Trenie i Iznos, 5, 350–354.
7. Student, M., Pohrelyuk, I., Padgurskas, J. et al. (2023) Influence of plasma electrolytic oxidation of cast Al-Si alloys on their phase composition and abrasive wear resistance. Coatings, 13(3), 637. DOI: https://doi.org/10.3390/coatings13030637
8. Yang, X., Ma, A., Liu, J. et al. (2019) Microstructure and corrosion resistance of yellow MAO coatings. Surface Eng., 35(4), 334–342. DOI: https://doi.org/10.1080/02670844.2018.1445939
9. Mori, Y., Koshi, A., Jinsun Liao, J. et al. (2014) Characteristics and corrosion resistance of plasma electrolytic oxidation coatings on AZ31B Mg alloy formed in phosphate – Silicate mixture electrolytes. Corrosion Sci., 88, 254–262. DOI: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2014.07.038
10. Nykyforchyn, H.M., Agarwala, V.S., Klapkiv, M.D., Posuvailo, V.M. (2008) Simultaneous reduction of wear and corrosion of titanium, magnesium and zirconium alloys by surface plasma electrolytic oxidation treatment. Advanced Materials Research, 38, 27–35. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.38.27
11. Pauporté, T., Finne, J., Kahn-Harari, A., Lincot, D. (2005) Growth by plasma electrolysis of zirconium oxide films in the micrometer range. Surface and Coatings Technology, 199(2-3), 213–219. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.03.003
12. Timoshenko, A.V., Magurova, Yu.V. (2005) Investigation of plasma electrolytic oxidation processes of magnesium alloy MA2-1 under pulse polarisation modes. Surf. Coat. Technol., 199(2-3), 135–140. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.09.036
13. Zhou, H., Li, F., He, B. et al. (2007) Air plasma sprayed thermal barrier coatings on titanium alloy substrates. Surf. Coat. Technol., 201(16-17), 7360–7367. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.02.010
14. Shokouhfar, M., Dehghanian, C., Baradaran, A. (2011) Preparation of ceramic coating on Ti substrate by plasma electrolytic oxidation in different electrolytes and evaluation of its corrosion resistance. Appl. Surf. Sci., 257(7), 2617–2624. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.10.032
15. Stojadinovic, S., Vasilic, R., Petkovic, M. et al. (2010) Luminescence properties of oxide films formed by anodization of aluminum in 12-tungstophosphoric acid. Electrochim. Acta, 55(12), 3857–3863. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.02.01
16. Snizhko, L.O., Yerokhin, A.L., Pilkington, A. et al. (2004) Anodic processes in plasma electrolytic oxidation of aluminium in alkaline solutions. Electrochim. Acta, 49(13), 2085–2095. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2003.11.027
17. Stojadinović, S., Rastko, V., Petkovic, M., Zekovic, L. (2011) Plasma electrolytic oxidation of titanium in heteropolytungstate acids. Surf. Coat. Technol., 206(2-3), 575–581. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.07.090
18. Sundararajan, G., Rama Krishna, L. (2003) Mechanisms underlying the formation of thick alumina coatings through the MAO coating technology. Surf. Coat. Technol., 167(2-3), 269–277. DOI: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00918-0
19. Brewer, W.D., Bird, R.K., Wallace, T.A. (1998) Titanium alloys and processing for high speed aircraft. Mater. Sci. and Engin.: A, 243(1-2), 299–304. DOI: https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00818-6 A 243(1998)299
20. Leyens, C., Peters, M. (2003) Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications. Wiley-VCH, Weinheim, Germany. DOI: https://doi.org/10.1002/3527602119
21. Yao, Z.Q., Ivanisenko, Yu., Diemant, T. et al. (2010) Synthesis and properties of hydroxyapatite-containing porous titania coating on ultrafine-grained titanium by micro-arc oxidation. Acta Biomater., 6(7), 2816–2825. DOI: https://doi.org/10.116/j.actbio.2009.12.053
22. Hench, L.L. (1998) Biomaterials: A forecast for the future. Biomaterials, 19, 1419–1423. DOI: https://doi.org/10.1016/s0142-9612(98)00133-1
23. Jae-Young Rho, Liisa Kuhn-Spearing, Peter Zioupos (1998) Mechanical properties and the hierarchical structure of bone. Medical Engineering & Physics, 20(2), 92–102. DOI: https://doi.org/10.1016/S1350-4533(98)00007-1
24. Dabdoub, S.M., Tsigarid, A.A., Kumar, P.S. (2013) Patient-specific analysis of periodontal and peri-implant microbiomes. J. of Dental Research, 92(12), 1685–1755. DOI: https://doi.org/10.1177/0022034513504950
25. Fakhr Nabavi, H., Aliofkhazraei, M. (2019) Morphology, composition and electrochemical properties of bioactive-TiO2/HA on CP-Ti and Ti6Al4V substrates fabricated by alkali treatment of hybrid plasma electrolytic oxidation process (Estimation of porosity from EIS results). Surf. Coat. Technol., 375, 266–291, DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.07.032
26. Azmat, A., Asrar, S., Channa, I.A. et al. (2023) Comparative study of biocompatible titanium alloys containing non-toxic elements for orthopaedic implants. Crystals, 13, 467. DOI: https://doi.org/10.3390/cryst13030467
27. Geetha, M., Singh, A.K., Asokamani, R., Gogia, A.K. (2009) Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants. A review. Progress in Mater. Sci., 54, 397–425. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.06.004
28. Zyman, Z.Z., Rokhmistrov, D.V., Glushko, V.I. (2010) Structural and compositional features of amorphous calcium phosphate at the early stage of precipitation. J. Mater. Sci. Mater. Med., 21(1), 123–130. DOI: https://doi.org/10.1007/s10856-009-3856-4
29. Furko, M., Balázsi, K., Balázsi, C. (2023) Calcium phosphate loaded biopolymer composites – A comprehensive review on the most recent progress and promising trends. Coatings, 13, 360. DOI: https://doi.org/10.3390/coatings13020360 30. Colombo, P.V., Tanner, A.C.R. (2019) The role of bacterial biofilms in dental caries and periodontal and peri-implant diseases: A historical perspective. J. Dent. Res., 98(4), 373–385. DOI: https://doi.org/10.1177/0022034519830686
31. Mazinani, A., Nine, M.J., Chiesa, R. et al. (2021) Graphene oxide (GO) decorated on multi-structured porous titania fabricated by plasma electrolytic oxidation (PEO) for enhanced antibacterial performance. Materials & Design, 20, 109443. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109443
32. Arash Fattah-alhosseini, Maryam Molaei, Navid Attarzadeh et al. (2020) On the enhanced antibacterial activity of plasma electrolytic oxidation (PEO) coatings that incorporate particles: A review. Ceramics Intern., 46(13), 20587–20607 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.05.206
33. Totosko, O.V., Stukhlyak, P.D., Mykytyshyn, A.H., Levytskyi, V.V. (2020) Investigation of electrospark hydraulic shock influence on adhesive-cohesion characteristics of epoxy coatings. Functional materials, 27(4), 760–766. DOI: https://doi.org/10.15407/fm27.04.760
34. Shu-Chuan Liao, Chia-Ti Chang, Chih-Ying Chen et al. (2020) Functionalization of pure titanium MAO coatings by surface modifications for biomedical applications. Surf. Coat. Technol., 394, 125812. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125812
35. Topal, E., Rajendran, H., Zgłobicka, I. et al. (2020) Numerical and experimental study of the mechanical response of diatom frustules. Nanomaterials, 10, 959. DOI: https://doi.org/10.3390/nano10050959
36. Dunleavy, C.S., Golosnoy, I.O., Curran, J.A., Clyne, T.W. (2009) Characterization of discharge events during plasma electrolytic oxidation. Surf. Coat. Tecnol., 203, 3410–3419. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.05.004
37. Wang, H.Y., Zhu, R.F., Lu, Y.P. et al. (2014) Preparation and properties of plasma electrolytic oxidation coating on sandblasted pure titanium by a combination treatment. Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl., 42, 657–664. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.06.005
38. Kang, B.S., Sul, Y.T., Johansson, C.B. et al. (2012) The effect of calcium ion concentration on the bone response to oxidized titanium implants. Clinical Oral Implants Research, 23, 690–697. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1600-0501.2011.02177.x
39. Wang, M.S., Lee, F.P., Shen, Y.D. et al. (2015) Surface, biocompatible and hemocompatible properties of meta-amorphous titanium oxide film. Int. J. of Applied Ceramic Technology, 12, 341–350. DOI: https://doi.org/10.1111/ijac.12184

---

Реклама в цьому номері:

---