Entwicklung eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes mit Hilfe einer neuartigen in situ-Technik - Titanbasis mit eingelagerter Hartstoffphase - mit erhöhter Verschleißbeständigkeit im Hinblick auf Anwendungen in der Biomedizintechnik

Abstract

Titan und Titanlegierungen werden zunehmend für biomedizinische Anwendungen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, geringen Steifigkeit infolge eines niedrigen Elastizitätsmoduls, hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneten Biokompatibilität verwendet. Teilchenverstärkte Komposite zeigen verbesserte Verschleißeigenschaften, die im allgemeinen für Titanlegierungen gering ausfallen. Durch die einfache und elegante in situ-Methode, bei der aus thermodynamisch schwachen Boriden oder Karbiden während des Herstellungs-prozesses über eine chemische Reaktion thermodynamisch stabile Titan-verbindungen entstehen, können diese Eigenschaften verbessert werden.TiAl6Nb7- und TiNb30- Legierungen mit unterschiedlichem Gehalt an TiB/TiC wurden durch Lichtbogenschmelzen unter Benutzung der in situ-Technik aus FeB, B4C und AlB12 hergestellt. Dicke verschleißbeständige Schichten mit hohen Anteilen an Hartpartikeln wurden mit dem WIG-Verfahren (Wolfram-Inert-Gas-Verfahren) auf Substraten aus Titan technischer Reinheit, TiAl6Nb7 und TiNb30 aufgetragen. Die partikelverstärkten Werkstoffe zeigten eine homogene Verteilung von nadel- oder plattenförmigem TiB und gleichachsigem TiC mit relativ starker Haftung zur Matrix. Die Eigenschaften dieser Werkstoffe wurden mit verschiedenen Methoden charakterisiert. Anhand von Röntgenbeugung, Gefügebildern und Raster-elektronenmikroskopie wurde die Entwicklung der Mikrostruktur mit zunehmendem Gehalt an Verstärkungsphase dargestellt. Das Reib- und Verschleißverhalten wurde mit Hilfe des Pin-on-Disc-Verfahrens charakterisiert. Zusätzlich wurden Wälzreib-verschleißtests in physiologischer Kochsalzlösung mit einem Tribometer durchgeführt. Der Einfluss von TiB- oder TiC-Hartstoffeinlagerungen in die jeweilige Titanlegierungsmatrix auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und das Korrosionsverhalten wurden bestimmt. An den Kompositen erfolgten Härtemessungen nach Vickers, Dreipunktbiege- und zyklische Laststeigerungsversuche im Umlaufbiegeversuch zur Ermittlung der Biegebruchfestigkeit bzw. Dauerfestigkeit. Die in situ-Verstärkung ergab dabei eine Steigerung der Härte, eine höhere Festigkeit und einen höheren E-Modul, führte jedoch zu einer geringeren Duktilität, hervorgerufen durch die spröden Eigenschaften der eingelagerten keramischen Partikel. Die im Hinblick auf die Biokompatibilität durchgeführten Zelltests an den neuen Werkstoffen ergaben keine Hinweise auf zytotoxische Reaktionen.

Abstract Titanium and its alloys are increasingly used for biomedical applications due to their high specific strength, low stiffness, excellent corrosion resistance and biocompatibility. Particle reinforced composites exhibit improved wear properties, which in particular are poor for titanium alloys. By means of the simple and elegant in situ method by which thermodynamically weak borides or carbides are able to produce during the production process thermodynamically stable titanium compounds, these properties can be improved. TiAl6Nb7 and TiNb30 alloys reinforced with different amounts of TiB/TiC were fabricated from FeB, B4C and AlB12 by arc melting utilizing the in situ technique. Thick wear resistant layers with high contents of hard particles were deposition welded by the TIG method (Tungsten-Inert-Gas method). The particle reinforced materials showed a homogeneous distribution of needle-shaped or platelet like TiB and equiaxed TiC with relatively strong interfacial bonding. The properties of these materials have been characterized by different methods. X-ray diffraction, optical micrographs and scanning electron microscopy revealed the developement of the microstructure with increasing content of the reinforcements. The friction and wear behaviour was characterized using the pin-on-disc method. Additionally rolling wear tests with a tribometer were carried out in physiological sodium chloride solution. The influence of TiB- or TiC-reinforcement on the thermal expansion coefficient and the corrosion behaviour was also determined. The composites were characterized by vickers hardness measurements, 3-point bending and cyclic load increase tests during the rotating bending test in order to investigate the bending tensile stress and the fatigue strength respectively. The in situ reinforcements lead to increased hardness, higher strength and Young's modulus but to a decreased ductility due to the brittle properties of precipitated ceramic particles. The cell tests with regard to the biocompatibility of the developed titanium matrix composites revealed no cytotoxic reactions.