Skip to main content
SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Mohmmad ali Golozar,Sheyda Labbaf
کيوان رئيسي (استاد راهنما) محمدعلي گلعذار (استاد راهنما) شيدا لباف (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mousa Farhadian
موسي فرهاديان

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 محدوديت اصلي پوشش­هاي توليد شده به روش الکتروفورتيک براي اصلاح سطح کاشتني­هاي فلزي، استحکام چسبندگي پايين پوشش به زيرلايه و قابليت زينترينگ ضعيف است که به تخلخل بالا و در نتيجه استحکام پيوستگي کمتر پوشش مي انجامد. هدف از اين تحقيق، بررسي تاثير روش آماده سازي سطح زيرلايه­ي فولاد زنگ نزن 316L بر ساختار فصل مشترک و همچنين تأثير درصد فاز سيليکاي آمورف ذرات کامپوزيتي ZrO 2 -SiO 2 بر قابليت زينترينگ و اصلاح شبکه­ي متخلخل پوشش­هاي­ توليد شده به روش الکتروفورتيک مي­باشد. به اين منظور ذرات کامپوزيتي ZrO 2 -SiO 2 با درصدهاي مولي مختلف SiO 2 (0، 10، 20 و 30 درصد) به روش سل-ژل سنتز و روي سطح زيرلايه­­ي 316L پوشش­دهي و سپس در دماي1100 سانتي گراد به مدت 2 ساعت زينتر شدند. قبل از پوشش دهي، سطح زيرلايه­ها با سه روش مختلف پوليش مکانيکي، اکسيداسيون آندي و پوليش الکتروشيميايي آماده شدند. نتايج نشان داد که زبري پوشش­ها به شدت متأثر از زبري زيرلايه مي­باشد بطوريکه پوشش اعمال شده بر سطح زيرلايه­ي آماده شده به روش اکسيداسيون آندي بيشترين زبري را نشان داد. توموگرافي فيب به عنوان تکنيکي کارآمد براي بررسي ساختار فصل مشترک پوشش­ها استفاده شد. در فصل مشترک پوشش اعمال شده بر سطح زيرلايه­­ي آماده شده به روش اکسيداسيون آندي، يک لايه­ي مياني تشکيل شد که خود متشکل از دو لايه­­­ي مجزا شامل يک لايه متخلخل زيرين و يک لايه متراکم رويي بود. نتايج نشان داد که اين لايه مياني به دليل برهمکنش و امتزاج ذرات ZrO 2 -SiO 2 با لايه­ي­ اکسيدي زيرلايه در طي عمليات زينترينگ تشکيل مي­شود. ساختار اين لايه­ي مياني به صورت تصاوير سه بعدي بازسازي شده و سپس مدل مناسبي براي مکانيزم تشکيل آن ارائه گرديد. مطالعات خوردگي پس از 24 ساعت غوطه وري در محلول شبيه سازي ­شده­ي بدن بيشترين اثر سدي را براي پوشش اعمال شده بر سطح زيرلايه­ي اصلاح شده به روش اکسيداسيون آندي با کمترين جريان خوردگي 95/0 نانو آمپر بر سانتي متر مربع نشان داد که به دليل تشکيل لايه مياني متراکم در فصل مشترک مي­باشد. در بخش دوم اين تحقيق، اثر محتواي فاز سيليکاي آمورف ذرات کامپوزيتي ZrO 2 -SiO 2 بر تشکيل لايه مياني و همچنين قابليت زينترينگ و اصلاح ساختار تخلخل پوشش بررسي شد. طبق نتايج بدست آمده، با افزايش محتواي سيليکاي آمورف، ضخامت لايه­ي مياني به دليل برهم­کنش مؤثرتر ذرات با لايه­ي اکسيدي آندايز افزايش يافته و همچنين نفوذ عناصري مانند کروم، منگنز و حتي نيکل از زيرلايه به فصل مشترک تسهيل شده و به صورت نوارهاي موازي در لايه­­ي مياني ظاهر شدند. ساختار تخلخل پوشش­ها با تکنيک توموگرافي فيب بصورت تصاوير سه بعدي بازسازي شد و اطلاعات ريزساختاري دقيقي از شبکه تخلخل­ پوشش­ها شامل نوع تخلخل­ها (باز يا بسته)، کسر حجمي، مورفولوژي و هيستوگرام حجمي از توزيع تخلخل­ها ارائه گرديد. طبق نتايج بدست آمده از آناليز کمي تخلخل­ها، با افزايش محتواي سيليکاي آمورف، حجم کل تخلخل­ها کاهش و تراکم پوشش­ها افزايش يافت. حجم تخلخل­ کل براي پوشش با محتواي30 درصد مولي سيليکا حدود 11 درصد بدست آمد که نسبت به پوشش خالص زيرکونيا حدود 4/2 برابر کاهش نشان داد. همچنين با افزايش محتواي سيليکا، کسر حجمي تخلخل­هاي باز کاهش و کسر حجمي تخلخل­هاي بسته افزايش يافت که مؤيد بهبود رفتار زينترينگ ذرات است. ابعاد تخلخل­هاي بسته براي پوشش­ با محتواي کمتر از30 درصد مولي سيليکا تقريبا يکسان و با توزيع يکنواخت بدست آمد، ولي در پوشش با محتواي 30 درصد مولي سيليکا ابعاد تخلخل­هاي بسته افزايش ناگهاني نشان داد. قطر معادل تخلخل­هاي باز براي تمامي پوشش­ها در ابعاد ميکرومتر بدست آمد که آنها را براي ترويج رشد استخوان و کاهش اثر استرس شيليدينگ بسيار مناسب مي­گرداند. استحکام چسبندگي و استحکام پيوستگي پوشش­ها با تکنيک خمش ميکروکانتيلور مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد لايه­ي مياني نقش بسيار تعيين کننده­اي در افزايش استحکام چسبندگي دارد. همچنين با افزايش محتواي سيليکا استحکام پيوستگي پوشش­ها نيز ارتقا يافت. به عنوان نتيجه­ي کلي اين تحقيق مي­توان گفت تغيير ترکيب شيميايي زيرلايه­هاي فلزي عامل اصلي در ايجاد لايه­ي مياني متراکم در فصل مشترک و افزايش قابل توجه در استحکام چسبندگي پوشش­هاي سراميکي است که با روش­هاي آماده سازي الکتروشيميايي مناسب قابل دستيابي است. همچنين در پوشش­هاي سراميکي کامپوزيتي، تغيير کسر حجمي هر کدام از اجزاي کامپوزيت مي تواند ساختار متخلخل پوشش را اصلاح نمايد و منجر به بهبود استحکام پيوستگي پوشش گردد.

تحت نظارت وف ایرانی