Endkonturnahe Beschichtung additiv gefertigter Komponenten mit biokompatiblen Eigenschaften
Förderung (Förderzeitraum: 01/2019 – 06/2022)
Projektpartner
Projektbeschreibung
Im Forschungsvorhaben sollen die Oberflächeneigenschaften von additiv gefertigten, biomedizintechnischen Bauteilen durch PVD-Beschichtungen grundlegend untersucht werden. Es wird die Herstellung von Komponenten mittels Laserstrahlschmelzens (Laser Power Bed Fusion) aus den Titanlegierungen Ti6Al7Nb (α+ß) und Ti24Nb4Zr8Sn (ß) fokussiert, da diese Legierungen im Vergleich zur kommerziellen Ti6Al4V-Legierung über bessere mechanische Eigenschaften, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Biotoleranz verfügen. Die mechanischen Eigenschaften der Ti6Al7Nb Legierung können durch den Volumenanteil und die Morphologie der hexagonalen α-Phase und der kubisch-raumzentrierten ß-Phase beeinflusst werden. Bei stark unterschiedlichen E-Modulen von Knochen und Implantat könnte durch Stress Shielding ein kontinuierlicher Knochenabbau auftreten. Daher soll auch die ß-Titanlegierung Ti24Nb4Zr8Sn, die einen vergleichsweise niedrigen E-Modul aber eine hohe Festigkeit hat, in diesem Forschungsvorhaben untersucht werden. Um die Biokompatibilität und das tribologische Verhalten zu verbessern, werden die additiv gefertigten Titanlegierungen mit multifunktionalen PVD-Dünnschichten beschichtet. Die Schichtsysteme Titannitrid (TiN), Titankarbonitrid (TiCN), amorpher Kohlenstoff (a-C) und Ag-haltiger amorpher Kohlenstoff (a-C:Ag) weisen sich hierbei als besonders vielversprechend für die Oberflächenfunktionalisierung. Darüber hinaus wird der Einfluss der PVD-Dünnschichten auf die Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit im LCF- sowie im HCF-Bereich charakterisiert.
Veröffentlichungen
- W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, C. Franke, D. Kokalj, D. Stangier, C.A. Thomann, J. Debus: Mechanical properties and adhesion behavior of amorphous carbon films with bias voltage controlled TixCy interlayers on Ti6Al4V. Diamond and Related Materials 115 (2021), 108361. doi: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108361
- W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, C. Franke, D. Kokalj, D. Stangier, V. Filor, R.H. Mateus-Vargas, H. Oltmanns, M. Kietzmann, J. Meißner, M. Hein, S. Pramanik, K.P. Hoyer, M. Schaper, A. Nienhaus, C.A. Thomann, J. Debus: Tribo-mechanical properties and biocompatibility of Ag-containing amorphous carbon films deposited onto Ti6Al4V. Surface and Coatings Technology 421 (2021), 127384. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127384
- M. Hein, D. Kokalj, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, H. Oltmanns, S. Pramanik, M. Kietzmann, K.P. Hoyer, J. Meißner, W. Tillmann, M. Schaper: Low Cycle Fatigue Performance of Additively Processed and Heat-Treated Ti-6Al-7Nb Alloy for Biomedical Applications. Metals 12 (2022), 122. doi: https://doi.org/10.3390/met12010122
- W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, C. Franke, D. Kokalj, D. Stangier, M. Hein, K.P. Hoyer, M. Schaper, D. Gödecke, H. Oltmanns, J. Meißner: Tribo-functional PVD thin films deposited onto additively manufactured Ti6Al7Nb for biomedical applications. Materials Letters 321 (2022), 132384. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132384
- M. Hein, N.F. Lopes Dias, S. Pramanik, D. Stangier, K.P. Hoyer, W. Tillmann, M. Schaper: Heat Treatments of Metastable β Titanium Alloy Ti-24Nb-4Zr-8Sn Processed by Laser Powder Bed Fusion. Materials 2022, 15(11), 3774; doi: https://doi.org/10.3390/ma15113774
- M. Hein, N.F. Lopes Dias, D. Kokalj, D. Stangier, K.P. Hoyer, W. Tillmann, M. Schaper: On the influence of physical vapor deposited thin coatings on the low-cycle fatigue behavior of additively processed Ti-6Al-7Nb alloy. International Journal of Fatigue Volume 166 (2023), 107235. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107235