Vojnotehnički Glasnik (Jan 2017)
Mechanical properties and the microstructure of the plasma-sprayed ZrO2Y2O3 / ZrO2Y2O3CoNiCrAlY / CoNiCrAlY coating / Механические характеристики и микроструктура покрытий ZrO2Y2O3 / ZrO2Y2O3CoNiCrAlY / CoNiCrAlY, нанесенных воздушно-плазменным напылением / Mehaničke osobine i mikrostruktura plazma naprskane prevlake ZrO2Y2O3 / ZrO2Y2O3CoNiCrAIY/ CoNiCrAIY
Abstract
ZrO2 stabilized with Y2O3 has superior and excellent physical properties compared to other modern ceramic materials. Due to its high biocompatibility, ZrO2 ceramics in the ZrO2 - Y2O3 system is widely used as a biomaterial in orthopedic surgery. ZrO2 - Y2O3 ceramics is widely applied in the production of the head of the hip, knee prosthesis, temporary holders, and more. ZrO2 is used for a total hip replacement (THR), for an artificial knee joint as well as for the application and development of other medical devices. In order to use ZrO2Y2O3 ceramics (YSZ) in biomedical substrates, it is necessary to deposit coating layers without defects. For the purpose of the deposition of a ZrO28wt.%Y2O3 ceramic coating with the best structural properties, the ZrO2Y2O3 / ZrO2Y2O3CoNiCrAlY / CoNiCrAlY coating system was tested. For financial reasons, the deposition was performed on a steel substrate by applying a CoNiCrAlY bond coating, which does not affect the structure and functionality of the ZrO2Y2O3 ceramic layer. The structure of the layers was tested by the method of light microscopy, and the surface of the upper ZrO28wt.%Y2O3 ceramic coating was tested by the method of scanning electron microscopy SEM. The obtained characteristics showed that the porosity content in the ceramic layer was not high and that micropores were uniformly distributed. The mechanical properties of the layers were assessed by testing microhardness using the method HV0.3 and tensile bond strength using tensile testing. The values of the microhardness of the ZrO28wt.%Y2O3 coating were satisfactory as well as the tensile bond strength of the coating system. / Керамика ZrO2 стабилизированная оксидом иттрия Y2O3 обладает наилучшими характеристиками по сравнению с иными современными керамическими материалами. Благодаря высокому проценту биосовместимости, керамика ZrO2 в системе ZrO2-Y2O3 широко применяется в качестве биоматериалов в ортопедической хирургии. Керамика ZrO2 используется в области протезирования, в частности, для изготовления головки бедренной кости, колени, временного протеза и пр. В области медицины ZrO2 широко используется в изготовлении протеза бедра (THR), коленного сустава, и иных медицинских аппаратов. Нанесение керамического покрытия ZrO2Y2O3(YSZ) на биомедицинские субстраты должно быть равномерным, а его слои без изъянов. Для нанесения керамического покрытия ZrO2Y2O3(YSZ), обладающего наилучшими структурными характеристиками была испытана система покрытий ZrO2Y2O3/ZrO2Y2O3CoNiCrAlY/CoNiCrAlY. В целях экономии, напыление выполнено на стальном субстрате связывающим покрытием CoNiCrAlY, не влияющим на структуру и функциональность керамического слоя ZrO2Y2O3. Структура слоев испытана методом оптической микроскопии, а поверхность ZrO28mas%Y2O3 испытана методом электронной микрографии SEM. На основании полученных характеристик установлено, что содержание порообразований в керамическом слое достаточно низкое, а микропоры равномерно распределены. Анализ механических характеристик покрытия проведен на основании испытаний микротвердости методом HV0.3 и прочности соединений методом растяжения. Значения микротвердости ZrO28mas%Y2O3 покрытия соответствуют требованиям, так же как и прочность связи покрытий. / Keramika ZrO2, stabilizovana sa Y2O3, ima superiorna i odlična fizička svojstva u poređenju sa drugim savremenim keramičkim materijalima. Zbog visoke biokompatibilnosti ona u sistemu ZrO2-Y2O3 ima široku primenu kao biomaterijal u ortopedskoj hirurgiji. Keramika ZrO2-Y2O3 najčešće se primenjuje za izradu glava kuka, proteza kolena, privremenih držača itd. ZrO2 je u kliničkoj upotrebi kao ukupna zamena kuka (THR), u zglobu veštačkih kolena, ali se koristi za primenu i razvoj drugih medicinskih uređaja. Da bi se keramika ZrO2Y2O3(YSZ) koristila na biomedicinskim substratima, neophodno je deponovati slojeve prevlake bez defekata. Radi depozicije keramičke prevlake ZrO28tež%Y2O3 sa najboljim strukturnim svojstvima, ispitan je sistem prevlaka ZrO2Y2O3/ZrO2Y2O3CoNiCrAlY/CoNiCrAlY. Zbog ekonomičnosti depozicija je izvršena na čeličnom supstratu uz primenu vezne prevlake CoNiCrAlY, što ne utiče na strukturu ifunkcionalnost keramičkog sloja ZrO2Y2O3. Struktura slojeva ispitana je metodom svetlosne mikroskopije, a površina gornje keramičke prevlake ZrO28mas%Y2O3 metodom skening elektronske mikroskopije (SEM). Na osnovu dobijenih karakteristika utvrđeno je da sadržaj poroznosti u keramičkom sloju nije bio visok i da su mikropore ravnomerno raspoređene. Procena mehaničkih osobina slojeva urađena je ispitivanjem mikrotvrdoće metodom HV0.3 i zatezne čvrstoće spoja ispitivanjem na zatezanje. Vrednosti mikrotvrdoće ZrO28mas%Y2O3 prevlake bile su zadovoljavajuće i zatezna čvrstoća spoja sistema prevlaka.
Keywords
