توصيفگر ها :
آلياژ Ti-6Al-4V , ساخت افزايشي , بيومواد فلزي , ذوب با پرتو الكتروني , مقاومت به خوردگي , تريبوخوردگي
چكيده فارسي :
در سالهاي اخير، آلياژ Ti-6Al-4V توليدشده به روش ساخت افزايشي (AM)، به دليل پتانسيل بالاي آن در كاربردهاي پزشكي، بهويژه كاشتنيهاي بدن، بهعنوان بيومواد فلزي توجه بسياري را به خود جلب كرده است. بااينوجود، چالشهايي همچون رفتار خوردگي و خوردگي سايشي اين آلياژ در محيط بدن همچنان از مسائل حائز اهميت باقيمانده است، چراكه اين عوامل ميتوانند منجر به رهايش يونهاي مضر شده و سلامت بيمار را به خطر اندازند. در روشهاي AM، بهويژه در روشهاي مبتني بر ذوب بستر پودر (PBF)، پارامترهاي ساخت و موقعيت مكاني نمونه نسبت به جهت ساخت نقش تعيينكنندهاي در ويژگيهاي نهايي كاشتنيها ايفا ميكنند. بر اين اساس، پژوهش حاضر باهدف ارزيابي نقش پارامترهاي ساخت و جهت ساخت بر ريزساختار، سختي، خوردگي و خوردگي سايشي آلياژ Ti-6Al-4V توليدشده به روش ذوب با پرتو الكتروني (EBM) انجام شد. در اين راستا، نمونههايي از اين آلياژ تحت دو شرايط عملياتي مختلف - يكي بر اساس پارامترهاي استاندارد ساخت شركت آركام و ديگري با پارامترهاي انتخابي - توليد شدند. تغييرات در جريان و سرعت ساخت بهمنظور ارزيابي دقيق تأثير اين پارامترها بر عملكرد نهايي كاشتنيها اعمال شد. علاوه بر اين، تأثير موقعيت مكاني نسبت به جهت ساخت بهعنوان يكي از عوامل اساسي در خواص نمونههاي توليدشده به روش AM بررسي گرديد. نتايج اين پژوهش نشان داد كه تمامي نمونهها از فاز دوتايي α/β تشكيلشدهاند و تغييرات پارامترهاي ساخت تأثير قابلتوجهي بر ريزساختار نداشته است. همچنين، مشخص شد كه در صفحات XY كه عمود برجهت ساخت ميباشند به دليل نرخ سرمايش بالاتر، دانههايي كشيدهتر و رشد ستوني دارند و صفحات YZ كه موازي با جهت ساخت ميباشند، دانههايي كوچكتر و با رشد لايه به لايه داشتهاند. آزمونهاي الكتروشيميايي در محلول بافر فسفات سالين (PBS) و هيدروژن پراكسيد (H2O2) جهت ايجاد شرايط التهابي و در دماي °C 37 نشان داد كه هرچند مقاومت به خوردگي نمونهها بسته به پارامترهاي ساخت و موقعيت مكاني متفاوت است؛ ليكن تمامي نمونهها با تشكيل يكلايه روئين از خود رفتار خوردگي مناسبي براي استفاده در كاشتنيهاي بدن نشان دادند اما صفحات XY مقاومت به خوردگي بالاتري نسبت به صفحات YZ از خود نشان دادند كه اين تفاوت ميتواند به دليل تفاوت در نرخ سرمايش صفحات و تفاوت در پارامترهاي ساخت نمونهها باشد. يافتهها حاكي از آن بود كه نهتنها تغيير پارامترهاي ساخت، بلكه موقعيت مكاني نسبت به جهت ساخت نيز ميتواند بر رفتار خوردگي سايشي تأثيرگذار باشد بهطوريكه با انجام آزمون تريبوخوردگي در شرايط پتانسيل مدارباز، صفحات XY كاهش افت پتانسيل بهواسطه رفتار الكتروشيميايي نجيبتر آنها را نشان داد. درنهايت، پس از 14 روز غوطهوري در محلول SBF در دماي °C 37، تمامي كاشتنيها رفتار زيست فعالي مطلوبي از خود نشان دادند. درمجموع، اين پژوهش نشان داد كه پارامترهاي ساخت و موقعيت مكاني نسبت به جهت ساخت ميتوانند بر عملكرد نهايي كاشتنيهاي Ti-6Al-4V توليدشده به روش EBM تأثير داشته باشند. يافته¬ها مؤيد آن بود كه نمونهي ساختهشده با پارامترهاي استاندارد شركت آركام در صفحه XY بهترين عملكرد را از ديدگاه مقاومت به خوردگي و تريبوخوردگي از خود نشان داد.
چكيده انگليسي :
In recent years, the Ti-6Al-4V alloy fabricated using additive manufacturing (AM) has garnered significant attention as a metallic biomaterial due to its high potential in medical applications, particularly in body implants. However, challenges such as the corrosion and tribocorrosion behavior of this alloy in the body environment remain critical issues, as these factors can lead to the release of harmful ions and pose a risk to patient health. In AM methods, particularly in powder bed fusion (PBF) techniques, manufacturing parameters and the specimen's orientation relative to the build direction play a decisive role in the final properties of the implants. Accordingly, this study aimed to evaluate the role of manufacturing parameters and build orientation on the microstructure, hardness, corrosion, and tribocorrosion of the Ti-6Al-4V alloy fabricated by electron beam melting (EBM). In this regard, Ti-6Al-4V samples fabricated under two different operational conditions—one based on Arcam's standard manufacturing parameters and the other with selected parameters. Variations in current and build speed were applied to precisely assess the impact of these parameters on the final performance of the implants. Additionally, the effects of spatial orientation relative to the build direction was examined as one of the key factors influencing the properties of AM-fabricated samples. The results of this study showed that all samples consisted of a dual-phase α/β structure, and changes in manufacturing parameters had no significant effect on the microstructure. It was also found that in the XY planes, which are perpendicular to the build direction, higher cooling rates resulted in more elongated and columnar grain growth, while the YZ planes, which are parallel to the build direction, exhibited smaller grains with layer-by-layer growth. Electrochemical tests in phosphate-buffered saline (PBS) and hydrogen peroxide (H₂O₂) solutions, conducted to simulate inflammatory conditions at a temperature of 37°C, revealed that although the corrosion resistance of the samples varied depending on the manufacturing parameters and spatial orientation, all samples exhibited appropriate corrosion behavior for use in body implants by forming a passive oxide layer. However, the XY planes demonstrated higher corrosion resistance compared to the YZ planes, likely due to differences in cooling rates and manufacturing parameters. The findings indicated that not only manufacturing parameters but also spatial orientation relative to the build direction can influence tribocorrosion behavior, as tribocorrosion tests under open-circuit potential conditions showed that XY planes exhibited a reduced potential drop due to their more noble electrochemical behavior. Finally, after 14 days of immersion in SBF solution at 37°C, all implants demonstrated favorable bioactive behavior. Overall, this study indicated that manufacturing parameters and spatial orientation relative to the build direction can affect the final performance of Ti-6Al-4V implants fabricated by EBM. The findings indicated that the sample produced with Arcam's standard parameters in the XY plane exhibited the best performance in terms of corrosion resistance and tribocorrosion.