Skip to main content
SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Mohmmad ali Golozar,Sheyda Labbaf
کیوان رئیسی (استاد راهنما) محمدعلی گلعذار (استاد راهنما) شیدا لباف (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mousa Farhadian
موسی فرهادیان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393

TITLE

Electrophoretic deposition and characterization of Zirconia/Silica composite coatings on 316L stainless steel
Two main drawbacks of electrophoretic produced coatings for surface treatment of metallic implants are low adhesion strength and poor sintering behavior resulting in high porosity and low cohesion strength of ceramic coatings. This work is focused on the effect of surface preparation methods of 316L stainless steel substrate on interface structure and chemical composition of ZrO 2 -SiO 2 on sintering capability and porosity network of coatings derived through electrophoretic technique. ZrO 2 -SiO 2 composite particles with different molar ratio of amorphous SiO 2 (0, 10, 20 and 30 mol.% SiO 2 ) were synthesized by sol gel procedure and then coated on the surface of modified 316L substrate followed by sintering at 1100 o C for 2 h. Before coating, substrate surfaces were prepared through three various methods including mechanical polishing, anodic oxidation, and electrochemical polishing. The results demonstrated that coating roughness were substantially influenced by substrate roughness in which the coating produced on anodic oxidized substrate showed the most roughness compared to the other coating samples. Focused ion beam tomography as an advanced technique was applied for studying the interface structure. An interlayer consisting of two parts including bottom porous layer and upper dense one was formed at the interface of coating applied on the 316L anodic oxidized substrate. This interlayer was created owing to the interaction and integration of ZrO 2 -SiO 2 particles with anodic oxide layer during sintering process. The formation mechanism of interlayer was discussed and a suitable model was proposed based on the information of tomography results. Corrosion studies showed that the best barrier performance with the lowest passivation current density of 0.95 nA.cm 2 was obtained for the coating applied on the anodic oxidized substrate which is related to the presence of compact interlayer at the interface. On the other hand, the impact of amorphous SiO 2 content in ZrO 2 -SiO 2 particles on the formation of interlayer, sintering ability of particles, and modifying of porous structure of coating was investigated. According to the obtained results, interlayer thickness was increased with increasing of SiO 2 content of coatings due to efficiently interaction of particles with anodic oxide layer. Moreover, diffusion of some elements from substrate such as Ni besides Cr and Mn was facilitated which was appeared as parallel bands across the interface. Porous network of coatings was reconstructed as 3D images using tomography technique and precise microstructural information including interconnected and isolated pores, volume fraction of pores, morphology, and pore volume histograms were thoroughly investigated. According to quantitative porosity analysis, total pore volume was decreased with increasing the SiO 2 content leading to formation of a densely packed structure. Total pore volume fraction was calculated around 11 Vol. % for ZrO 2 -30 mol.% SiO 2 which was approximately 2.4 times lower than that of pure ZrO 2 coating. In addition, volume fraction of connected pores was decreased and volume percent of isolated pores was increased as the SiO 2 content was increased in the coating structure, indicating an improvement of sintering behavior of particles. The dimension and distribution of isolated pores was similar for ZrO 2 -SiO 2 coatings with SiO 2 content lower that 30 mol.% SiO 2 ; however, they suddenly increased in ZrO 2 -30 mol.% SiO 2 coating sample. Equivalent diameter of connected pores for all coating samples was calculated in the micrometer range which make them suitable for bone growth propagation and reducing the stress shielding effect. Adhesion and cohesion strength of coatings were evaluated by miro-cantilever bending test. The results showed that the presence of interlayer has undeniable impact on increasing the adhesion strength. With increasing SiO 2 content the cohesion strength of coatings was also improved. To sum up. It can be concluded that varying the chemical composition of metallic substrate can be considered as the main factor in the formation of dense interlayer at the interface of ceramic coating resulting in substantially improvement in adhesion strength which can be achieved by electrochemical surface modification procedures. On the other hand, volume fraction of each component at ceramic composite coatings can refine the internal porous structure leading to an improvement in cohesion strength.
دو محدودیت اصلی پوشش­های تولید شده به روش الکتروفورتیک برای اصلاح سطح کاشتنی­های فلزی، استحکام چسبندگی پایین پوشش به زیرلایه و قابلیت زینترینگ ضعیف است که به تخلخل بالا و در نتیجه استحکام پیوستگی کمتر پوشش می انجامد. هدف از این تحقیق، بررسی تاثیر روش آماده سازی سطح زیرلایه­ی فولاد زنگ نزن 316L بر ساختار فصل مشترک و همچنین تأثیر درصد فاز سیلیکای آمورف ذرات کامپوزیتی ZrO 2 -SiO 2 بر قابلیت زینترینگ و اصلاح شبکه­ی متخلخل پوشش­های­ تولید شده به روش الکتروفورتیک می­باشد. به این منظور ذرات کامپوزیتی ZrO 2 -SiO 2 با درصدهای مولی مختلف SiO 2 (0، 10، 20 و 30 درصد) به روش سل-ژل سنتز و روی سطح زیرلایه­­ی 316L پوشش­دهی و سپس در دمای1100 سانتی گراد به مدت 2 ساعت زینتر شدند. قبل از پوشش دهی، سطح زیرلایه­ها با سه روش مختلف پولیش مکانیکی، اکسیداسیون آندی و پولیش الکتروشیمیایی آماده شدند. نتایج نشان داد که زبری پوشش­ها به شدت متأثر از زبری زیرلایه می­باشد بطوریکه پوشش اعمال شده بر سطح زیرلایه­ی آماده شده به روش اکسیداسیون آندی بیشترین زبری را نشان داد. توموگرافی فیب به عنوان تکنیکی کارآمد برای بررسی ساختار فصل مشترک پوشش­ها استفاده شد. در فصل مشترک پوشش اعمال شده بر سطح زیرلایه­­ی آماده شده به روش اکسیداسیون آندی، یک لایه­ی میانی تشکیل شد که خود متشکل از دو لایه­­­ی مجزا شامل یک لایه متخلخل زیرین و یک لایه متراکم رویی بود. نتایج نشان داد که این لایه میانی به دلیل برهمکنش و امتزاج ذرات ZrO 2 -SiO 2 با لایه­ی­ اکسیدی زیرلایه در طی عملیات زینترینگ تشکیل می­شود. ساختار این لایه­ی میانی به صورت تصاویر سه بعدی بازسازی شده و سپس مدل مناسبی برای مکانیزم تشکیل آن ارائه گردید. مطالعات خوردگی پس از 24 ساعت غوطه وری در محلول شبیه سازی ­شده­ی بدن بیشترین اثر سدی را برای پوشش اعمال شده بر سطح زیرلایه­ی اصلاح شده به روش اکسیداسیون آندی با کمترین جریان خوردگی 95/0 نانو آمپر بر سانتی متر مربع نشان داد که به دلیل تشکیل لایه میانی متراکم در فصل مشترک می­باشد. در بخش دوم این تحقیق، اثر محتوای فاز سیلیکای آمورف ذرات کامپوزیتی ZrO 2 -SiO 2 بر تشکیل لایه میانی و همچنین قابلیت زینترینگ و اصلاح ساختار تخلخل پوشش بررسی شد. طبق نتایج بدست آمده، با افزایش محتوای سیلیکای آمورف، ضخامت لایه­ی میانی به دلیل برهم­کنش مؤثرتر ذرات با لایه­ی اکسیدی آندایز افزایش یافته و همچنین نفوذ عناصری مانند کروم، منگنز و حتی نیکل از زیرلایه به فصل مشترک تسهیل شده و به صورت نوارهای موازی در لایه­­ی میانی ظاهر شدند. ساختار تخلخل پوشش­ها با تکنیک توموگرافی فیب بصورت تصاویر سه بعدی بازسازی شد و اطلاعات ریزساختاری دقیقی از شبکه تخلخل­ پوشش­ها شامل نوع تخلخل­ها (باز یا بسته)، کسر حجمی، مورفولوژی و هیستوگرام حجمی از توزیع تخلخل­ها ارائه گردید. طبق نتایج بدست آمده از آنالیز کمی تخلخل­ها، با افزایش محتوای سیلیکای آمورف، حجم کل تخلخل­ها کاهش و تراکم پوشش­ها افزایش یافت. حجم تخلخل­ کل برای پوشش با محتوای30 درصد مولی سیلیکا حدود 11 درصد بدست آمد که نسبت به پوشش خالص زیرکونیا حدود 4/2 برابر کاهش نشان داد. همچنین با افزایش محتوای سیلیکا، کسر حجمی تخلخل­های باز کاهش و کسر حجمی تخلخل­های بسته افزایش یافت که مؤید بهبود رفتار زینترینگ ذرات است. ابعاد تخلخل­های بسته برای پوشش­ با محتوای کمتر از30 درصد مولی سیلیکا تقریبا یکسان و با توزیع یکنواخت بدست آمد، ولی در پوشش با محتوای 30 درصد مولی سیلیکا ابعاد تخلخل­های بسته افزایش ناگهانی نشان داد. قطر معادل تخلخل­های باز برای تمامی پوشش­ها در ابعاد میکرومتر بدست آمد که آنها را برای ترویج رشد استخوان و کاهش اثر استرس شیلیدینگ بسیار مناسب می­گرداند. استحکام چسبندگی و استحکام پیوستگی پوشش­ها با تکنیک خمش میکروکانتیلور مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد لایه­ی میانی نقش بسیار تعیین کننده­ای در افزایش استحکام چسبندگی دارد. همچنین با افزایش محتوای سیلیکا استحکام پیوستگی پوشش­ها نیز ارتقا یافت. به عنوان نتیجه­ی کلی این تحقیق می­توان گفت تغییر ترکیب شیمیایی زیرلایه­های فلزی عامل اصلی در ایجاد لایه­ی میانی متراکم در فصل مشترک و افزایش قابل توجه در استحکام چسبندگی پوشش­های سرامیکی است که با روش­های آماده سازی الکتروشیمیایی مناسب قابل دستیابی است. همچنین در پوشش­های سرامیکی کامپوزیتی، تغییر کسر حجمی هر کدام از اجزای کامپوزیت می تواند ساختار متخلخل پوشش را اصلاح نماید و منجر به بهبود استحکام پیوستگی پوشش گردد.

تحت نظارت وف ایرانی