دراسة تجريبية لتعديل السلوك الميكانيكي وسلوك التآكل لسبائك المغنيسيوم AZ91 و AZ31 كمزروعات قابلة للتحلل الحيوي
Experimental Investigation on the Modification of Mechanical and Corrosion Behavior of AZ91 and AZ31 Mg-Alloys as Biodegradable Implants
- الباحث
- نور نجم عبد
- المشرف
- علي حسين عتيوي - رنا عفيف عناي
- الجامعة
- الجامعة التكنولوجية
- الكلية / القسم
- قسم هندسة المواد / هندسة المواد
- الشهادة
- دكتوراه
- السنة
- 2022
- لغة الرسالة
- انكليزي
- الكلمات المفتاحية
- Magnesium alloys;Biodegradable implants;Corrosion behavior;AZ91 and AZ31
الملخص
تعتبر سبائك المغنيسيوم من المواد القابلة للتحلل البيولوجي ONS الخصائص الميكانيكية العالية. ومع ذلك ، فإن التحلل السريع لهذة السبائلك غير مرغوب فيه ويحتاج إلى زيادة عمرها التشغيلي المصمم على سبيل المثال حتى شفاء كسر العظم. يهدف هذا العمل إلى تحسين الخواص الميكانيكية وتقليل معدل التاكل لسبيكتي المغنيسيوم (49128/731) المستخدمة في التطبيقات الطبية الحيوية ،تتضمن عملية التحسين مرحلتين أولاً ، إجراء المعالجات الحرارية بما في ذلك التلدين ، والمحلول الصلب / التعتيق والتبريد باستخدام غاز النتروجين السائل لسبيكة (AZ91) والتلدين Lead لسبيكة AZ31) ) .اما المرحلة الثانية ، فكانت باستخدام الطلاء بمادتي ( الانديوم ، التيتانيوم) بتقنية الرش بالتيار المستمر عند ظروف عمل ثابتة . تم فحص بعض الخواص الميكانيكية fie الشد و الصدمة وقياس الصلاده المايكروية. Lain تم توصيف العينات المطلية عن طريق حيود الأشعة السينية واستخدام المجهر الالكتروني الماسح مع مطيافية التشتت الطاقي واستخدام مجهر القوة الذرية ، وتم فحص خصائص التآكل بواسطة اختبار الاستقطاب وجهد الدائرة المفتوحة. اشارت نتائج البحث الى ان المعالجات الحرارية قد ادت إلى تحسين الخواص الميكانيكية (خاصة بعد المعالجة المبردة) ، حيث زادت قوة الشد من 147ميكا باسكال الى 277 ميكا باسكال ، كما زادت الصلابة أيضًا من47.7 إلى90 والصدمه من 11 جول الى 23 جول . كما اكدت نتائج التوصيف بواسطة حيود الاشعة السينيه أن المعالجة الحرارية عززت تكوين طور(ج191741! - (B داخل ع0-31 كطور اساس خاصة بعد التبريد وكذلك الحصول على التجانس والتنقية في السطح. كما أظهر حيود الاشعه السينية ظهور aad (الانديوم) و (التيتانيوم) للعينات المطلية . أشارت نتائج FESEM إلى ترسيب الطور الرقائقي Mg,7Al,2)4 — 6) وإعادة تفكك هذه المرحلة في الطور الاساس بالقرب من حدود الحبيبات أو عند حدودها وانتشارها في الحبوب. أكد تحليل FESEM / EDS للأسطح المطلية للسبيكتين ترسب معادن الطلاء على سطح السبيكة وفقًا لنوع نمو جزيئات كل معدن. كما تبين أن المعالجة الحرارية أعطت خشونة أقل من خلال عملية التلدين و أعطى الطلاء خشونة أكبر مقارنة بالسطوح المعالجة / غير المطلية بسبب تجمع الجسيمات المترسبة. تم فحص خصائص التآكل للعينات المعالجة حرارياً والمعالجة حرارياً / المطلية بواسطة قياس الوقت المحتمل وتسجيل قطع التافل. بالنسبة للعينة المعالجة قبل الطلاء ، كانت المقاومة:(م12) المعالجة بالتبريد > المعالجة بالمحلول الصلب / التعتيق > المعالجة بالتلدين بسبب تنعيم السطح وتقليل فرصة تكوين الخلايا الجلفانية . بالنسبة لسبائك Mg 4791 ، بعد الطلاء بالإنديوم ، أعطت المادة المبردة مع الطلاء أعلى مقاومة للاستقطاب وأعطت أيضًا كفاءة حماية تساوي 753.95 اما الطلاء بالتيتانيوم ، فقط المعالجة المبردة أعطت Less في مقاومة التآكل وكفاءة حماية تساوي 99.33/. بالنسبة لسبائك Mg 4731 ، تم إجراء عملية الطلاء في غياب الأكسجين ووجوده وكانت النتائج لنوعين من طلاء المعدن : كانت المقاومة:(م12]) الطلاء بالانديوم > غير مطلية > الطلاء بالانديوم مع الاوكسجين . الغير مطلية > الطلاء بالتيتانيوم > الطلاء بالتيتانيوم مع الاوكسجين . أظهر الاختبار المضاد للبكتيريا للعينات المعالجة والمطلية عدم وجود نمو جرثومي تحت العينة لجميع العينات.
Abstract
Magnesium alloys are a possible biodegradable materials with high mechanical characteristics. However, its rapid deterioration is undesirable and needs to increase its lifetime till healing of broken bone, for example, can occur. This work is aimed to improve the mechanical properties and reduce the corrosion rate of AZ91 and AZ31 Mg alloys that are used in biomedical applications, in two steps. Firstly, heat treatments, including annealing, solid solution/aging and cryogenic were carried out to AZ91 type and only annealing to AZ31 type. Secondly, apply coating with (Ti and In) at constant conditions by DC sputtering technique. Some mechanical properties were examined, comprising tensile test, Charpy impact test and microhardness. While, the characterization of coated samples was done by X-ray diffraction, FESEM/EDS, and AFM analysis. Corrosion properties were investigated by the polarization test. The heat treatments improved the mechanical properties, especially after the cryogenic treatment, where the tensile strength increased from 147 MPa to 277 MPa, the hardness increased from 47.7 HV to 90 HV and the impact from 11 J to 23 J. The characterization by XRD manifested that the heat treatment enhanced the formation of β−Mg17Al12 phase within α−Mg as a matrix, especially after the cryogenic treatment as well as getting homogenization and refining in the surface. Also, the XRD evinced that the peaks of (In) and (Ti) for coated samples appeared at 2θ values that related to each metal and its phases. The results of FESEM indicated the precipitation of the lamellar phase of β−Mg17Al12 and redissolution of this phase in the matrix near or at the grain boundary and spread into the grain. The FESEM/EDS analysis for coated surface of two alloys confirmed the deposition and sputtering of the coating metals on the alloy surface according to the type of growing the particles of each metal. The morphologies of treated and coated surfaces were studied by atomic force microscopy (AFM) to get the nature of peaks and valleys in each case as well as the estimation of surface roughness, where it was shown that the heat treatment gave lower roughness by refining process, and the coating gave higher roughness compared with treated/uncoated surfaces due to the clustering of deposited particles. Corrosion properties of heat treated and heat treated/coated samples were investigated by potential-time measurement and recording Tafel plots. For treated sample before coating for AZ91, the resistance (Rp) was: Cryogenic treatment > Solid solution treatment > Annealing treatment Due to refining the surface and reducing the chance for the creation of galvanic cells. For AZ91 Mg alloy, after coating with indium, the cryogenic treatment with coating gave the highest polarization resistance and also gave protection efficiency equal to 53.95%. For coating with titanium, only the cryogenic treatment gave an improvement in corrosion resistance and gave protection efficiency equal to 99.33%. For AZ31 Mg alloy, the coating process was performed in the absence and presence of oxygen, and the results for the two types of coating metal were: (Rp) Coated with In> Uncoated> Coated with In+ O2 (Rp) Uncoated> Coated with Ti> Coated with Ti+ O2 The anti-bacterial test for treated and coated samples elucidated no bacterial growth under the sample for both alloys.
طلب نسخة من الملف
الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.