Вплив ультразвукового ударного оброблення на структуру та властивості стоматологічного стопу Co–Cr–Mo–W, одержаного 3$D$-друком

А. П. Бурмак$^{1}$, С. М. Волошко$^{1}$, Б. М. Мордюк$^{1,2}$, М. О. Васильєв$^{2}$, В. І. Закієв$^{1,3}$, М. М. Ворон$^{4}$, П. О. Гурин$^{5}$

$^{1}$Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Перемоги, 37, 03056 Київ, Україна
$^{2}$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^{3}$Національний авіаційний університет, просп. Любомира Гузара, 1, 03058 Київ, Україна
$^{4}$Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 34/1, 03142 Київ, Україна
$^{5}$Національний університет охорони здоров’я України імені П. Л. Шупика, вул. Дорогожицька, 9, 04112 Київ, Україна

Отримано: 29.05.2023; остаточний варіант - 05.07.2023. Завантажити: PDF

Досліджено механічні характеристики, фазовий склад, залишкові макроскопічні напруження та топографію поверхні стопу Co–Cr–Mo–W, виготовленого 3$D$-друком за допомогою селективного лазерного топлення порошку та модифікованого ультразвуковим ударним обробленням (УЗУО) в інертному середовищі. Встановлено взаємозалежність між механічними властивостями модифікованих поверхневих шарів і їхнім структурно-фазовим станом після впливу УЗУО різної тривалости (20–60 с). Максимальний ефект зміцнення поверхневого шару стопу Co–Cr–Mo–W (у 1,5 рази) досягається після УЗУО впродовж 30 с і зумовлений формуванням стискальних напружень першого роду (-510 МПа, що у $\cong$ 5,5 разів вище порівняно з вихідним станом), зменшенням розмірів кристалітів $\varepsilon$- (80 нм) і $\gamma$- ($\cong$ 140 нм) фаз, а також збільшенням вмісту $\varepsilon$-фази від 5% до 95% за рахунок мартенситного перетворення. Шорсткість модифікованої поверхні після оптимального режиму УЗУО (30 с) має параметри, які практично не відрізняються від вихідного полірованого стану ($R_{a}$ = 2,66 мкм і $R_{z}$ = 0,52 мкм). Підвищення мікротвердости та зносостійкости поверхневих шарів доводить можливість застосування УЗУО і в якості ефективного методу локального (поверхневого) пост-оброблення медичних виробів із 3D-друкованого стопу Co–Cr–Mo–W.

Ключові слова: 3$D$-друк, селективне лазерне топлення, ультразвукове ударне оброблення, структурно-фазовий склад, механічні властивості, зносостійкість, ортопедія.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v45/i07/0909.html

PACS: 43.35.Fj, 61.72.Ff, 62.20.Qp, 62.80.+f, 68.55.J-, 81.65.-b, 83.10.Tv


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. R. W. Swindeman, M. L. Santella, P. J. Maziasz, B. W. Roberts, and K. Coleman, Int. J. Pressure Vessels and Piping, 81: 507 (2004). Crossref
  2. N. J. Hallab, J. J. Jacobs, and J. L. Katz, Biomaterials Science: an Introduction to Materials in Medicine (Eds. B. D. Ratner, A. S. Hoffman, F. J. Schoen, and J. E. Lemons) (London: Elsevier: 2004), p. 526.
  3. L. Z. Zhuang and E. W. Langer, Mater. Sci. Eng. A, 108: 247 (1989). Crossref
  4. J. B. Brunski, Biomaterials Science: an Introduction to Materials in Medicine (Eds. B. D. Ratner, A. S. Hoffman, F. J. Schoen, and J. E. Lemons) (London: Elsevier: 2004), p. 137.
  5. D. F. Williams, Biocompatibility of Clinical Implant Materials (Boca Raton: CRC Press: 1981).
  6. S. Hiromoto, E. Onodera, A. Chiba, K. Asami, and T. Hanawa, Biomaterials, 26: 4912 (2005). Crossref
  7. M. O. Vasylyev, I. M. Makeeva, and P. O. Gurin, Prog. Phys. Met., 20: 310 (2019). Crossref
  8. M. Niinomi, T. Narushima, and M. Nakai. Advances in Metallic Biomaterials: Processing and Applications (Springer: 2015). Crossref
  9. Ping Huang and H. F. Lopez, Mater. Lett., 39: 249 (1999). Crossref
  10. Robert Wen-Wei Hsu, Chun-Chen Yang, Ching-An Huang, and Yi-Sui Chen, Mater. Chem. Phys., 93: 531 (2005).
  11. Sachiko Hiromoto, Emi Onodera, Akihiko Chiba, Katsuhiko Asami, and Takao Hanawa, Biomaterials, 26: 4912 (2005). Crossref
  12. Harald Nesse, Dina Mari Åkervik Ulstein, Malene Myhre Vaage, and Marit Øilo, J. Prosthetic Dentistry, 114: 686 (2015). Crossref
  13. Eun-Ha Kim, Du-Hyeong Lee, Sung-Min Kwon, and Tae-Yub Kwon, J. Prosthetic Dentistry, 117: 393 (2017). Crossref
  14. V. G. Efremenko, A. G. Lekatou, Yu. G. Chabak, B. V. Efremenko, I. Petryshynets, V. I. Zurnadzhy, S. Emmanouilidou, and M. Vojtko, Mater. Today Commun., 35: 105936 (2023). Crossref
  15. Peng Wu, Jun Wang, and Xiangyu Wang, Automation in Construction, 68: 21 (2016). Crossref
  16. Bharat Bhushan and Matt Caspers, Microsystem Technol., 23: 1117 (2017). Crossref
  17. Tuan D. Ngoa, Alireza Kashania, Gabriele Imbalzanoa, Kate T. Q. Nguyena, and David Huib, Composites B: Eng., 143: 172 (2018).
  18. M. O. Vasylyev, B. M. Mordyuk, S. M. Voloshko, and P. O. Gurin, Prog. Phys. Met., 23: 337 (2022). Crossref
  19. M. A. Vasylyev, B. N. Mordyuk, V. P. Bevz, S. M. Voloshko, and O. B. Mordiuk, Int. J. Surf. Sci. Eng., 14: 1 (2020). Crossref
  20. М. О. Васильєв, Б. М. Мордюк, С. І. Сидоренко, С. М. Волошко, А. П. Бурмак, Н. В. Франчік, Металлофиз. новейшие технол., 39, № 7: 905 (2017).
  21. М. О. Васильєв, Б. М. Мордюк, С. М. Волошко, В. І. Закієв, А. П. Бурмак, Д. В. Пефті, Металлофиз. новейшие технол., 41, № 11: 1499 (2019).
  22. Г. І. Прокопенко, Б. М. Мордюк, М. О. Васильєв, С. М. Волошко, Фізичні основи ультразвукового ударного зміцнення металевих поверхонь (Київ: Наукова думка: 2017).
  23. Yu. N. Petrov, G. I. Prokopenko, B. N. Mordyuk, M. A. Vasylyev, S. M. Voloshko, V. S. Skorodzievski, and V. S. Filatova, Mater. Sci. Eng. C, 58: 1024 (2016). Crossref
  24. S. P. Chenakin, V. S. Filatova, I. N. Makeeva, and M. A. Vasylyev, Appl. Surf. Sci., 408: 11 (2017). Crossref
  25. С. М. Волошко, Б. М. Мордюк, М. О. Васильєв, В. І. Закієв, А. П. Бурмак, Н. В. Франчік, Металофіз. новітні технол., 45, № 2: 217 (2023).
  26. B. N. Mordyuk, G. I. Prokopenko, M. A. Vasylyev, and M. O. Iefimov, Mater. Sci. Eng. A, 458: 253 (2007). Crossref
  27. S. P. Chenakin, B. N. Mordyuk, and N. I. Khripta, Vacuum, 210: 111889 (2023). Crossref
  28. B. N. Mordyuk, O. P. Karasevskaya, and G. I. Prokopenko, Mater. Sci. Eng. A, 559: 453 (2013). Crossref
  29. B. K. Kad, J.-M. Gebert, M. T. Perez-Prado, M. E. Kassner, and M. A. Meyers, Acta Mater., 54: 4111 (2006). Crossref
  30. L. S. Fomenko, A. V. Rusakova, S. V. Lubenets, and V. A. Moskalenko, Low Temperature Physics, 36: 809 (2010). Crossref
  31. Ю. В. Мильман, С. И. Чугунова, И. В. Гончарова, Вопросы атомной науки и техники, № 4: 182 (2011).
  32. Ю. В. Мильман, А. Н. Слипенюк, В. В. Куприн, Д. В. Козырев, Вопросы атомной науки и техники, № 4: 85 (2011).
  33. О. В. Бякова, О. І. Юркова, Ю. В. Мільман, О. В. Білоцький, Теоретичні основи і методи визначення механічних властивостей матеріалів та покриттів при індентуванні на макро- та мікрорівнях (Київ: Гарант СЕРВІС: 2011).
  34. C. Balagna, S. Spriano, and M. G. Faga, Mater. Sci. Eng. C, 32: 1868 (2012). Crossref
  35. Michael Storchak, Islam Zakiev, Vadim Zakiev, and Andrey Manokhin, J. Int. Measurement Confederation, 191: 110745 (2022). Crossref
  36. Islam Zakiev, Michael Storchak, George A. Gogotsi, Vadim Zakiev, and Yuliia Kokoieva, Ceramics Int., 47: 29638 (2021). Crossref
  37. Yuka Kajima, Atsushi Takaichi, Nuttaphon Kittikundecha, Takayuki Nakamoto, Takahiro Kimura, Naoyuki Nomura, Akira Kawasaki, Takao Hanawa, Hidekazu Takahashi, and Noriyuki Wakabayashi, Mater. Sci. Eng. A, 726: 21 (2018). Crossref
  38. Yanan Zhou, Ning Li, Jiazhen Yan, and Qiang Zeng, J. Prosthetic Dentistry, 120: 617 (2018). Crossref
  39. P. Mengucci, G. Barucca, A. Gatto, E. Bassoli, L. Denti, F. Fiori, E. Girardin, P. Bastianoni, B. Rutkowski, and A. Czyrska-Filemonowicz, J. Mechanical Behavior of Biomedical Mater., 60: 106 (2016). Crossref
  40. K. Yamanaka, M. Mori, Y. Koizumi, and A. Chiba, J. Mechanical Behavior of Biomedical Mater., 32: 52 (2014). Crossref
  41. B. N. Mordyuk, O. P. Karasevskaya, G. I. Prokopenko, and N. I. Khripta, Surf. Coat. Technol., 210: 54 (2012). Crossref
  42. N. I. Khripta, O. P. Karasevska, and B. N. Mordyuk, J. Mater. Eng. Perform., 26: 5446 (2017). Crossref
  43. Priscila S. N. Mendes, Jefferson Fabrício C. Lins, Patrícia S. N. Mendes, Willie R. Prudente, Rodrigo P. Siqueira, Rodrigo E. Pereira, Said M. S. Rocha, and Alexandre R. Leoni, Int. J. Eng. Research and Application, 7: 34 (2017).
  44. Marko Sedlaček, Katja Zupančič, Barbara Šetina Batič, Borut Kosec, Matija Zorc, and Aleš Nagode, Metals, 13: 637 (2023). Crossref
  45. Z. Wang, S. Y. Tang, S. Scudino, Yu. P. Ivanov, R. T. Qu, D. Wang, C. Yang, W. W. Zhang, A. L. Greer, J. Eckertf, and K. G. Prashanth, Additive Manufacturing, 37: 101725 (2021). Crossref
  46. W. Wei, Y. Zhou, W. Liu, N. Li, J. Yan, and H. Li, J. Mater. Eng. Perform., 27: 5312 (2018). Crossref
  47. Xin Dong, Yanan Zhou, Qi Sun, Yuntao Qu, Haojiang Shi, Wenbo Liu, Huabei Peng, Biao Zhang, Sheng Xu, Jiazhen Yan, and Ning Li, Mater. Sci. Eng. A, 795: 140000 (2020). Crossref
  48. Wei Wei, Yanan Zhou, Qi Sun, Ning Li, Jiazhen Yan, Haopeng Li, Wenbo Liu, and Chongxiang Huang, Metallurgical and Materials Transactions A, 51: 3205 (2020). Crossref
  49. Irmgard Weißensteiner, Manuel Petersmann, Petra Erdely, Andreas Stark, Thomas Antretter, Helmut Clemens, and Verena Maier-Kiener, Acta Mater., 164: 272 (2019). Crossref
  50. A. Z. Seeger, Z. Metallkunde, 44: 247 (1953). Crossref