Influence of Induction Heat Treatment Conditions on the Properties of Coatings Formed by Electroplasma Spraying

  • Елена [Elena] Олеговна [O.] Осипова [Osipova]
  • Ольга [Olga] Анатольевна [A.] Маркелова [Markelova]
  • Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Фомин [Fomin]
  • Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Кошуро [Koshuro]
Keywords: electroplasma spraying, induction heat treatment, microhardness, porous titanium coatings, elemental-phase composition, surface structure

Abstract

Porous titanium coatings were formed on titanium samples by electroplasma spraying, followed by induction heat modification in an air atmosphere at a processing temperature of 650–1250°C and a duration of 120 and 300 s. The layers formed by electroplasma spraying consisted of grains 9.9±0.5 µm in size. The coating composition included TiO, Ti2O3, and TiO2 (anatase) oxides formed as a result of interaction between titanium and gaseous medium (residual air atmosphere) in the installation working volume. After low-temperature thermal modification, the size of structural elements increased to 12.5±0.4 µm. The pore size decreased from 12.9±0.2 to 7.5±0.3 µm at an inductor current of 7.6 kA, whereas the surface porosity remained at the level of 56–58%. The induction treatment of the coatings has led to an increase in the oxygen content in the coatings from 49.6±9.2 to 71.7±1.1 at % and the formation of an oxide layer on the surface, consisting of prismatic nanosized anatase and rutile crystals. High-temperature thermal modification has led to intensive growth and subsequent exfoliation of scale. Induction heat treatment has led to an increase in the microhardness of the coatings from 1530±55 to 1825±191 HV0.98. The hardness of plasma-sprayed and low-temperature modified coatings was 82–88 HRF. The highest value of this parameter was observed during high-temperature treatment, which amounted to 108–115 HRF; in this case, the coating cracked during indentation, which is associated with the formation of a rather thick scale layer. As a result of static processing, regression models have been determined that describe the effect of temperature and time of modification of electroplasma coatings on the size of structural elements (grains, pores) and coating hardness.

Information about authors

Елена [Elena] Олеговна [O.] Осипова [Osipova]

Assistant of Materials Science and Biomedical Engineering Dept., Yuri Gagarin State Technical Univer-sity of Saratov, e-mail: lenusindra96@mail.ru

Ольга [Olga] Анатольевна [A.] Маркелова [Markelova]

Assistant Professor of Materials Science and Biomedical Engineering Dept., Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, e-mail: markelovaoa@bk.ru.

Александр [Aleksandr] Александрович [A.] Фомин [Fomin]

Dr.Sci. (Techn.), Head of Materials Science and Biomedical Engineering Dept., Vice-rector for Strategic Development of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, e-mail: afominalex@gmail.com

Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Кошуро [Koshuro]

Ph.D. (Techn.), Assistant Professor of Materials Science and Biomedical Engineering Dept., Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, e-mail: dimirion@mail.ru

References

1. Иващенко А.В., Яблоков А.Е., Марков И.И., Монаков В.А., Нестеров А.М. Особенности трофики костной ткани после установки дентальных имплантатов // Вестник медицинского института «РЕАВИЗ»: реабилитация, врач и здоровье. 2021. № 3(51). С. 79—84.
2. Бакалян В.Л. Использование съемных и несъемных временных конструкций в поэтапном ортопедическом лечении временными конструкциями // Вестник стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. 2015. Т. 12. № 1—2. С. 37—40.
3. Бартак В., Фулин П., Покорны Д., Сосна А. Результаты клинического применения тотального эндопротеза коленного сустава нового поколения с вращающимся вкладышем компании «BEZNOSKA S.R.O.» // Ортопедия, травматология, протезирование. 2012. № 1(586). С. 27—29.
4. Albrektsson T., Wennerberg A. On Osseointegration in Relation to Implant Surfaces // Clinical Implant Dentistry and Related Research. 2019. V 21. Pp. 4—7.
5. Chen Z. e. a. Influence of the Pore Size and Porosity of Selective Laser Melted Ti6Al4V ELI Porous Scaffold on Cell Proliferation, Osteogenesis and Bone Ingrowth // Materials Sci. and Eng. 2020. V. 106. P. 110289.
6. Фомин А.А., Фомина М.А., Пошивалова Е.Ю., Родионов И.В., Захаревич А.М., Скапцов А.А. Фазово-структурные и химические превращения на поверхности титана при плазменно-индукционном нанесении биокерамических покрытий // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11(3). С. 303—311.
7. Пат. № 2647968 РФ Способ формирования титановых пористых покрытий на титановых имплантатах / Фомин А.А., Фомина М.А., Родионов И.В., Кошуро В.А. // Бюл. изобрет. 2018. № 9.
8. Zhecheva A., Sha W., Malinov S., Long A. Enhancing the Microstructure and Properties of Titanium Alloys Through Nitriding and Other Surface Engineering Methods // Surface and Coatings Technol. 2005. V. 200(7). Pp. 2192—2207.
9. Ракоч А.Г., Бардин И.В., Ковалев В.Л., Аванесян Т.Г. Микродуговое оксидирование легких конструкционных сплавов. Ч. 1. Основные представления о микродуговом оксидировании легких конструкционных сплавов // Известия высших учебных заведений Серия «Порошковая металлургия и функциональные покрытия». 2011. № 2. С. 58—62.
10. Song S.H., Min B.K., Hong M.-H., Kwon T.-Y. Application of a Novel CVD TiN Coating on a Biomedical Co-Cr Alloy: an Evaluation of Coating Layer and Substrate Characteristics // Materials. 2020. V. 13(5). Pp. 1145—1359.
11. Vogel D., Dempwolf H., Baumann A., Bader R. Characterization of Thick Titanium Plasma Spray Coatings on PEEK Materials Used for Medical Implants and the Influence on the Mechanical Properties // J. Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018. V. 77. Pp. 600—608.
12. Kalita V.I., Komlev D.I., Radyuk A.A. Structure and Mechanical Properties of Three-dimensional Capillary-porous Titanium Coatings on Intraosteal Implants // Inorganic Materials: Appl. Research. 2016. V. 7(4). Pp. 536—541.
13. Оковитый В.А., Девойно О.Г., Пантелеенко А.Ф., Оковитый В.В. Керамический материал системы «оксид титана — оксид алюминия – твердая смазка» // Вестник Белорусского нац. техн. ун-та. 2011. № 1. С. 16—20.
14. Фомин А.А. и др. Фазово-структурные и химические превращения на поверхности титана при плазменно-индукционном нанесении биокерамических покрытий // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 3. С. 303—311.
15. Оковитый В.А. и др. Модификация плазменных износостойких покрытий импульсным лазером // Вестник Белорусского нац. техн. ун-та. 2009. № 4. С. 49—53.
16. Sasaki S., Tribological Properties of Coating Films Synthesised by Laser Assisted Plasma Spraying // Surface Eng. 1997. V. 13(3). Pp. 238—242.
17. Huang C., Du L., Zhang W. Friction and Wear Characteristics of Plasma-sprayed Self-lubrication Coating with Clad Powder at Elevated Temperatures up to 800 oC // J. Thermal Spray Technol. 2014. V. 23. Pp. 463—469.
18. Shankar A.R., Karthiselva N.S., Mudali U.K. Thermal Oxidation of Titanium to Improve Corrosion Resistance in Boiling Nitric Acid Medium // Surface and Coating Technol. 2013. V 235. Pp. 45—53.
19. Фролов В.Я., Смирнова Е.А., Юшин Б.А. Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки // Металлообработка. 2009. № 2. С. 28—33.
20. Фомин А.А. и др. Структура и микротвердость титановых покрытий на имплантатах после индукционно-термической обработки // Перспективные материалы. 2016. № 12. С. 25—37.
---
Для цитирования: Осипова Е.О., Маркелова О.А., Фомин А.А., Кошуро В.А. Влияние условий индукционно-термической обработки на свойства покрытий, сформированных методом электроплазменного напыления // Вестник МЭИ. 2023. № 3. С. 63—72. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-3-63-72
---
Работа выполнена при поддержке: гранта Президента РФ (грант № МД-965.2021.4)
#
1. Ivashchenko A.V., Yablokov A.E., Markov I.I., Monakov V.A., Nesterov A.M. Osobennosti Trofiki Kostnoy Tkani Posle Ustanovki Dental'nykh Implantatov. Vestnik Meditsinskogo Instituta «REAVIZ»: Reabilitatsiya, Vrach i Zdorov'e. 2021;3(51):79—84. (in Russian).
2. Bakalyan V.L. Ispol'zovanie S'emnykh i Nes'emnykh Vremennykh Konstruktsiy v Poetapnom Ortopedicheskom Lechenii Vremennymi Konstruktsiyami. Vestnik Stomatologii i Chelyustno-litsevoy Khirurgii. 2015;12;1—2:37—40. (in Russian).
3. Bartak V., Fulin P., Pokorny D., Sosna A. Rezul'taty Klinicheskogo Primeneniya Total'nogo Endoproteza Kolennogo Sustava Novogo Pokoleniya s Vrashchayushchimsya Vkladyshem Kompanii «BEZNOSKA S.R.O.». Ortopediya, Travmatologiya, Protezirovanie. 2012;1(586):27—29. (in Russian).
4. Albrektsson T., Wennerberg A. On Osseointegration in Relation to Implant Surfaces. Clinical Implant Dentistry and Related Research. 2019;21:4—7.
5. Chen Z. e. a. Influence of the Pore Size and Porosity of Selective Laser Melted Ti6Al4V ELI Porous Scaffold on Cell Proliferation, Osteogenesis and Bone Ingrowth. Materials Sci. and Eng. 2020;106:110289.
6. Fomin A.A., Fomina M.A., Poshivalova E.Yu., Rodionov I.V., Zakharevich A.M., Skaptsov A.A. Fazovo-strukturnye i Khimicheskie Prevrashcheniya na Poverkhnosti Titana pri Plazmenno-induktsionnom Nanesenii Biokeramicheskikh Pokrytiy. Fundamental'nye Problemy Sovremennogo Materialovedeniya. 2014;11(3):303—311. (in Russian).
7. Pat. № 2647968 RF. Sposob Formirovaniya Titanovykh Poristykh Pokrytiy na Titanovykh Implantatakh. Fomin A.A., Fomina M.A., Rodionov I.V., Koshuro V.A. Byul. izobret. 2018;9. (in Russian).
8. Zhecheva A., Sha W., Malinov S., Long A. Enhancing the Microstructure and Properties of Titanium Alloys Through Nitriding and Other Surface Engineering Methods. Surface and Coatings Technol. 2005;200(7):2192—2207.
9. Rakoch A.G., Bardin I.V., Kovalev V.L., Avanesyan T.G. Mikrodugovoe Oksidirovanie Legkikh Konstruktsionnykh Splavov. Ch. 1. Osnovnye Predstavleniya o Mikrodugovom Oksidirovanii Legkikh Konstruktsionnykh Splavov. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy Seriya «Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya». 2011;2:58—62. (in Russian).
10. Song S.H., Min B.K., Hong M.-H., Kwon T.-Y. Application of a Novel CVD TiN Coating on a Biomedical Co-Cr Alloy: an Evaluation of Coating Layer and Substrate Characteristics. Materials. 2020;13(5):1145—1359.
11. Vogel D., Dempwolf H., Baumann A., Bader R. Characterization of Thick Titanium Plasma Spray Coatings on PEEK Materials Used for Medical Implants and the Influence on the Mechanical Properties. J. Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018;77:600—608.
12. Kalita V.I., Komlev D.I., Radyuk A.A. Structure and Mechanical Properties of Three-dimensional Capillary-porous Titanium Coatings on Intraosteal Implants. Inorganic Materials: Appl. Research. 2016;7(4):536—541.
13. Okovityy V.A., Devoyno O.G., Panteleenko A.F., Okovityy V.V. Keramicheskiy Material Sistemy «Oksid Titana — Oksid Alyuminiya – Tverdaya Smazka». Vestnik Belorusskogo Nats. Tekhn. Un-ta. 2011;1:16—20. (in Russian).
14. Fomin A.A. i dr. Fazovo-strukturnye i Khimicheskie Prevrashcheniya na Poverkhnosti Titana pri Plazmenno-induktsionnom Nanesenii Biokeramicheskikh Pokrytiy. Fundamental'nye Problemy Sovremennogo Materialovedeniya. 2014;11;3:303—311. (in Russian).
15. Okovityy V.A. i dr. Modifikatsiya Plazmennykh Iznosostoykikh Pokrytiy Impul'snym Lazerom. Vestnik Belorusskogo Nats. Tekhn. Un-ta. 2009;4:49—53. (in Russian).
16. Sasaki S., Tribological Properties of Coating Films Synthesised by Laser Assisted Plasma Spraying. Surface Eng. 1997;13(3):238—242.
17. Huang C., Du L., Zhang W. Friction and Wear Characteristics of Plasma-sprayed Self-lubrication Coating with Clad Powder at Elevated Temperatures up to 800 oC. J. Thermal Spray Technol. 2014;23:463—469.
18. Shankar A.R., Karthiselva N.S., Mudali U.K. Thermal Oxidation of Titanium to Improve Corrosion Resistance in Boiling Nitric Acid Medium. Surface and Coating Technol. 2013;235:45—53.
19. Frolov V.Ya., Smirnova E.A., YUshin B.A. Povyshenie Ekspluatatsionnykh Svoystv Plazmennykh Pokrytiy Metodom Induktsionnoy Termoobrabotki. Metalloobrabotka. 2009;2:28—33. (in Russian).
20. Fomin A.A. i dr. Struktura i Mikrotverdost' Titanovykh Pokrytiy na Implantatakh Posle Induktsionno-termicheskoy Obrabotki. Perspektivnye Materialy. 2016;12:25—37. (in Russian).
---
For citation: Osipova E.O., Markelova O.A., Fomin A.A., Koshuro V.A. Influence of Induction Heat Treatment Conditions on the Properties of Coatings Formed by Electroplasma Spraying. Bulletin of MPEI. 2023;3:63—72. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-3-63-72
---
The work is executed at support: Grant of the President of the Russian Federation (Grant No. МД-965.2021.4)
Published
2023-02-14
Section
Electrotechnology and Electrophysics (Technical Sciences) (2.4.4)