ساخت و مشخصه یابی پوشش آنتروپی بالای TiNbMnMoZr به روش کند و پاش مغناطیسی برای کاربردهای پزشکی

STUDENT

DEGREE

YEAR

High entropy alloys are a new 0.5-0.75-1) by direct current magnetic sputtering method. The effect of increasing the titanium element on the structural, corrosion and biocompatibility properties of the obtained coatings was also investigated. In this regard, first, thermodynamic calculations of phase formation were performed to design the desired alloy with different percentages of titanium. Then the pure powder of selected elements in approximate sizes of 40-45 microns in different atomic percentages were well mixed and homogenized by mechanical milling. In order to make the target material required for the coating process, the homogenized powders were sintered at a pressure of 30 MPa and a temperature of 900 ° C for 10 minutes by means of a plasma arc. After obtaining the optimal parameters, elemental map analysis and electron microscopic images were used to ensure the presence of elements and their uniform distribution. In order to evaluate the properties of the obtained coatings, X-ray diffraction tests, field emission electron microscope, atomic force microscope, wettability, bioactivity, biocompatibility and corrosion tests were performed. The results of X-ray diffraction indicated the formation of a single-phase structure of FCC contrary to the thermodynamic predictions of phase formation, which indicates the predominance of kinetic factors in the fabrication of high-entropy coatings by magnetic sputtering. Based on the results obtained from the atomic force and wettability microscopy test, it was shown that with increasing titanium content, the roughness is obtained and the wetting angle changes slightly, while the roughness and wettability angle increase and decrease with respect to the steel substrate. On the other hand, due to the slight increase in sedimentation rate with increasing the amount of titanium, the thickness of the coatings also increased. Also, the morphology type of the coating changed from columnar to quasi-columnar. Based on the electrochemical impedance spectroscopy curves, the stability range of the surface layer formed on the surface of the coatings expands with increasing titanium to higher frequencies. The reason for the high stability of wind-phase curves at high angles was the formation of a surface layer containing oxides of elements with high electronegativity of Ti, Nb and Zr. Also, based on the curves obtained from the TOEFL test, it was shown that the quasi-column structure obtained for the coating containing higher titanium had a lower corrosion density and up to higher potentials compared to other coatings and steel substrates. Showed resistance. The bioactivity test of the coatings by immersion for 14 days in the simulated body solution showed the formation of hydroxyapatite on the surface of the coatings. The results of cytotoxicity showed that all the coatings produced caused cell proliferation over time and none of them produced toxicity on L316 stainless steel. Accordingly, it seems that by coating L316 austenitic steel with high entropy coating of TiNbMnMoZr by magnetic sputtering method, its corrosion behavior and biocompatibility in the biological environment of the body can be improved. Keywords: High entropy coatings, plasma arc fusion, vapor deposition, corrosion behavior, L316 stainless steel, cell culture, MTT, bioactivity.

آلیاژهای آنتروپیبالا دسته جدیدی از مواد هستند که دارای 5 تا 13 عنصر اصلی با درصدهای اتمی یا مولی برابر یا نسبتاً برابر میباشند. این آلیاژها با توجه به داشتن آنتروپی بالا تمایل زیادی به تشکیل ساختارهای محلولجامدFCC یا BCC به جای ترکیبات بینفلزی و جدایش دارند که میتواند موجب بهبود رفتار خوردگی آلیاژها در محیطهای خورنده میشود. از میان انواع روشهای تولید، پوششهای آنتروپیبالا با توجه به غالب بودن فاکتورهای سینیتیکی( اثر نفوذکند و انجماد سریع) بر ترمودینامیک تشکیل فاز، ساختارهای تکفاز ریزدانه و کاملاً همگن با رفتار خوردگی بسیار مطلوبتری نسبت به آلیاژهای حجمی آنتروپی بالا هستند. هدف از پژوهش حاضر ساخت پوشش آنتروپیبالای TiXNb0.5MnMo0.5Zr0.3(X=0.5-0.75-1) با روش کندوپاش مغناطیسی با جریان مستقیم است. همچنین اثر افزایش عنصر تیتانیوم بر خواص ساختاری، خوردگی و زیستسازگارای پوششهای بدست آمده نیز مورد برسی قرار گرفت. در این راستا ابتدا محاسبات ترمودینامیکی تشکیل فاز برای طراحی آلیاژ موردنظر با درصدهای مختلف تیتانیوم انجام شد. سپس پودر خالص عناصر منتخب در اندازههای تقریبی 40-45 میکرون در درصدهای اتمی مختلف توسط آسیابکاری مکانیکی به خوبی ترکیب و همگن شد. بهمنظور ساخت ماده هدف مورد نیاز برای فرایند لایهنشانی، پودرهای همگنشده در فشار Mpa30 و دمای ?C900 به مدت زمان 10 دقیقه توسط دستگاه تفجوشی به کمک قوس پلاسما زینتر شدند. پس از بدست آوردن پارامترهای بهینه، برای اطمینان از حضور عناصر و توزیع یکنواخت آنها از آنالیز عنصری نقشهای و تصاویر میکروسکوپی الکترونی استفاده شد. به منظور ارزیابی خواص پوششهای بدستآمده، آزمونهای پراش پرتوایکس، میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی، میکروسکوپ نیروی اتمی، ترشوندگی، زیستفعالی، زیستسازگاری و آزمونهای خوردگی انجام گرفت. نتایج حاصل از پراش پرتوایکس حاکی از تشکیل ساختار تک فاز FCC برخلاف پیشبینیهای ترمودینامیکی تشکیل فاز بود که نشاندهندهی غالب بودن فاکتورهای سینیتیکی ساخت پوشش آنتروپیبالا به روش کندوپاش مغناطیسی بود. بر اساس نتایج بدست آمده از آزمون میکروسکوپ نیروی اتمی و ترشوندگی نشان داده شد که با افزایش میزان تیتانیوم، زبری بدست آمده و زاویه ترشوندگی به طور جزئی تغییر می‌کند درحالی‌که نسبت به زیرلایه فولادی زبری و زاویه ترشوندگی به ترتیب افزایش و کاهش مییابد. از طرفی با توجه به افزایش جزئی در نرخ رسوب با افزایش میزان تیتانیوم میزان ضخامت پوششها افزایش یافت همچنین نوع مورفولوژی پوشش را از حالت ستونی به شبهستونی تغییر داد. بر اساس منحنیهای طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی محدوده پایداری لایهی رویین تشکیلشده بر سطح پوششها با افزایش تیتانیوم تا فرکانسهای بیشتری گسترده میشود. دلیل پایداری بالای منحنیهای باد-فاز در زوایای بالا تشکیل لایه رویین حاوی اکسید عناصر با الکترونگاتیویته بالای Ti، Nb و Zr تشخیص داده شد. همچنین بر اساس منحنیهای بدست آمده از آزمون تافل، نشان داده شد که ساختار شبهستونی بدست آمده برای پوشش حاوی تیتانیوم بالاتر، دارای چگالی جریان خوردگی کمتری بوده و تا پتانسیلهای بالاتری در مقایسه با سایر پوششها و زیرلایه فولادی از خود مقاومت نشان داد. آزمون زیستفعالی پوشش‌ها با غوطهوری به مدت 14 روز در محلول شبیهسازی شده بدن نشان دهندهی تشکیل هیدرواکسی آپاتیت روی سطح پوششها بود. نتایج حاصل از سمیت سلولی نشان داد که تمامی پوششهای تولیدشده باعث تکثیر سلولی با گذشت زمان شدهاند و هیچ کدام سمیتی بر روی فولاد زنگ نزن L316 ایجاد نکرد. بر این اساس به نظر میرسد با پوششدهی فولاد آستنیتی L316 توسط پوشش آنتروپی بالای TiNbMnMoZr توسط روش کندوپاش مغناطیسی میتوان رفتار خوردگی و زیست سازگاری آن را در محیط بیولوژیک بدن ارتقاء داد. کلمات کلیدی: پوششهای آنتروپیبالا، تفجوشی به کمک قوس پلاسما، رسوب گذاری از حالت بخار، رفتار خوردگی، فولاد زنگ نزنL316، کشت سلولی، MTT، زیست فعالی.