指導教授：郭聰源報告者：林柏嘉報告日期： 102 年 5 月 29 日

Southern Taiwan University of Science and Technology Materials ＆ Micro-Joining

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指導教授：郭聰源報告者：林柏嘉

報告日期： 102年 5 月 29 日

Wear performance of laser processed

tantalum coating Stanley Dittrick ， Vamsi Krishna Balla ， Susmita Bose ， Amit Bandyopadhyay ， Materials Science

and Engineering C ， Vol.31 ， pp.1832-1835 ， 2011.


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大綱

一、介紹

二、實驗內容

三、實驗流程

四、結果與討論

五、結論


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一、介紹 (1/2)

在過去的幾十年裡，學者試圖找出機械強度與生物活性同時具有與骨組織產生化學鍵結且提供硬 / 耐磨表面的整形外科應用材料。

近來由於鉭它良好的延展性、韌性、耐磨耗性以及生物活性引起關注。然而，相對地製造費用高而且無法產生一個全鉭廣為流傳適用性植入材模組限制。

鉭基材的熔點溫度 (3017 ﾟ C) 與對氧的親和力皆較高，因此披覆製程時非常困難。儘管如此，近年來學者已證實密集且大小不同多孔結構 ( 總孔隙度介於27%~55% 之間 ) 對於鉭披覆於鈦基材上製程，有助於提升的細胞存活能力、細胞附著力和高活性細胞密度，雷射製程鉭比鈦表現出優越的生物相容性。

在其他研究中，雷射製程密集的鉭披覆與提供體內和體外細胞材料生物活性HA 相互比較下具有優越界面和機械穩定性。


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一、介紹 (2/2)

這個結果證明鉭結構提供一個良好的生物環境，對於人的成骨細胞附著、成長及分化它可以提升生物固定。儘管 HA 披覆同樣有良好的生物固定性，但這些批覆表面 ( 粗糙形貌低斷裂韌性 ) 在長期磨耗下會產生磨屑，此磨屑成為植入物在體內長期殘留下面臨的主要挑戰。

將 HA 披覆更換生物活性鉭披覆，做為金屬鉭披覆具有高斷裂韌性和可拋光，以實現平滑的表面，將可克服上述之問題。因此，本研究探討體外磨損性能的雷射加工鉭披覆評估並對純鈦和鈷鉻鉬合金作一比較。

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二、實驗內容 - 材料製備

基材 : 純鈦、鉭、鈷鉻鉬合金。

基材前處理 : 將純鈦、鉭、鈷鉻鉬合金用碳化矽砂紙#400 、 #600 、 #1200進行研磨。

清洗 :超音波振盪器加蒸餾水。

乾燥 : 常溫中。

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三、實驗流程

摩擦磨損試驗

基材 ( 純鈦 )

結果與討論

SEM

基材 ( 鉭 ) 基材 ( 鈷鉻鉬合金 )

基材前處理


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四、結果與討論 (1/5) 長期植入後產生磨屑的原因為金屬對金屬的植入材，關節面的磨耗影響，此外疲勞磨損也是可能的其中局部區域反覆的負載導致表面和基材表面裂紋延伸。

在這樣的條件下，任何合金耐磨耗性主要控制經由組織功能例如，晶粒大小、第二項粒子數量和分佈和在基材中的型態。因此，雷射製成披覆鉭、鈷鉻鉬合金和純鈦作為基材利用 SEM觀察。

樣品的晶粒尺寸測量使用線性攔截方法。所有材料呈等軸晶和雷射加工鈷鉻鉬合金在枝晶間區域表現出非常細小的碳化物析出。雷射製程鈷鉻鉬合金晶粒大小明顯比雷射製成披覆鉭更細。Fig. 1. Typical microstructures of (a) laser processed Ta coatings,

(b) laser processed CoCrMo alloy, and (c) as-received CP Ti

substrate.


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雷射製成鉭披覆顯示出平均晶粒尺寸(33.5 ± 2.0um) 較雷射製程鈷鉻鉬合金(10.3 ± 0.9um) 大。純鈦基材表現出平均晶大小為 31.0 ± 1.4um媲美鉭披覆。

本實驗條件下，分別對於鉭和鈷鉻鉬合

金熔融區中的冷卻速度分別為 700 KS-1

和 2250 KS-1 。因此，細晶粒尺寸的鈷

鉻鉬合金是在低能量輸入 (17 J /mm - 2 )

時可得到較高的冷卻率。

四、結果與討論(2/5)


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四、結果與討論 (3/5)實驗證明純鈦基材耐磨耗率，鉭披覆和鈷鉻鉬合金雷射製成的光盤滑動距離為 1000m 在一個正常的負荷 5N 下。純鈦、鉭、鈷鉻鉬合金平均磨耗率分別是 1.39 ± 0.17 × 10-3(N.M) 、 1.89 ± 0.4 × 10-4mm3(N.M) 、 9.9 ± 2.9 × 10-

6mm3(N.M) 。雷射加工鉭數值顯示比純鈦具有更低的磨損率。所觀察到在體外的磨損率近一步證實這些材料的磨差係數分別純鈦、鉭、鈷鉻鉬合金為 1.42 、 0.97 和 0.65 。根據目前實驗情況，與正常負載 5N ，初始最大接觸壓力被認為分別是 GPA1.40 、 1.74 、 1.89 ，純鈦、鉭、鈷鉻鉬合金。儘管純鈦的接觸壓力為最低的但是，體外磨耗測試在本實驗測試中純鈦的磨耗率是最高的。鈷鉻鉬合金優異耐磨耗性高硬度、細晶尺寸碳化物析出存在下。觀察這些材料很好的磨耗率以及相關表面硬度值。表一平均最高鈷鉻鉬表面硬度為 358 ± 17HV 比鉭 (233 ± 17HV)和純鈦 (160± 4HV)還高。一般材料的耐磨耗性，直接關係到它的硬度換而言知硬度越高耐磨耗性越佳。因此耐磨耗率順序為純鈦 < 鉭 < 鈷鉻鉬合金。然而要注意的是鉭在雷射製程中磨耗率大大低於純鈦，這表明鉭披覆在純鈦上在植入時可以得到更好的耐磨耗性。Fig. 2. Wear rate of CP Ti, laser processed Ta and CoCrMo alloy

against hardened 100Cr6 steel ball.


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四、結果與討論 (4/5)

從圖中可以看出經由磨耗試驗機磨擦 1000m後純鈦、鉭、鈷鉻鉬合金的表面形貌。

圖 (A) 純鈦的表面相較於 (B) 鉭有明顯的刮痕且深又看到 (C) 鈷鉻鉬合金可以看到他的表面幾乎看不到較深的刮痕。

Fig. 3 Wear track morphology after 1000 m of sliding distance

(a) CP Ti substrate, (b) laser processed Ta, and (b) laser

processed CoCrMo alloy.


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四、結果與討論 (5/5)

目前研究發現，雷射加工鉭披覆(1.899±0.4×10−4 mm3(N.m)−1) 相較純鈦 (1.39±0.17×10−3 mm3(N.m)−1) 具有卓越體外抗磨耗性。目前鉭披覆可能降至最低，早期骨植入由於介面微動引起磨屑產生，其良好的生物活性媲美 HA ，且比 HA 披覆具有較高耐磨耗性和韌性。

Fig 4 High magnification SEM images of worn areas for (a) CP

Ti substrate, (b) laser processed Ta, and (b) laser processed

CoCrMo alloy.


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五、結論

雷射加工的鉭披覆已被評估為體外耐磨耗，探討其可能被用於承載植入物接觸表面的應用。

雖然鉭披覆磨耗性質不如廣泛使用的鈷鉻鉬合金，但其優越的體外抗磨耗比鈦好，可能取代披覆在鈦上的 HA ，讓植入材更具有長期在體內的穩定性。


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指導教授：郭聰源 報告者：林柏嘉 報告日期： 102 年 5 月 29 日

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