DE112017004063T5

DE112017004063T5 - Verfahren zur Herstellung einer Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau

Info

Publication number: DE112017004063T5
Application number: DE112017004063.9T
Authority: DE
Inventors: Huseyin Cimenoglu; Erdem Atar; Murat Baydogan; Dogukan Cetiner; Ahmet Hilmi Paksoy; Hasan Guleryuz; Onur Tazegul
Original assignee: Istanbul Teknik Universitesi ITU
Current assignee: Istanbul Teknik Universitesi ITU
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: WO2018067086A2; US20190177856A1; WO2018067086A3; DE112017004063B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Dickbeschichtung mit Schichtaufbau, die antibakterielle Eigenschaften, hohe Verschleißfestigkeit und niedrigen Reibungskoeffizienten auf den Oberflächen metallischer Werkstoffe aufweist. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Dickbeschichtung mit Schichtstruktur bereitzustellen, welches es ermöglicht, eine Titanoxidschicht mit bioaktiver Eigenschaft auf der äußersten Oberfläche der Beschichtung zu bilden und eine strukturell dichtere Beschichtung zu erzeugen, da das in der Beschichtung enthaltene Zink Flüssigphasensintern verursacht und damit die Diskontinuitäten in der Beschichtungsstruktur ausfüllt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau, die auf den Oberflächen metallischer Werkstoffe antibakterielle Eigenschaften, hohe Verschleißfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Metallische Oberflächen erfordern je nach Einsatzbereich unterschiedliche Verbesserungen, so dass je nach Funktion unterschiedliche Anwendungen am Material selbst oder an der Oberfläche des Materials möglich sind. Die Anwendungen an der Materialoberfläche werden bevorzugt getätigt, um die dem Material eigenen Eigenschaften zu erhalten, so dass diese von höherem Nutzen und einfacher einsetzbar sind. Diese Anwendungsverbesserungen an der Materialoberfläche werden als Oberflächenbeschichtungen bezeichnet und werden je nach Einsatzbereich und gewünschter Wanddicke der zu erzeugenden Beschichtung über verschiedene Verfahren (Tauchen, Sprühen, chemische Gasphasenabscheidung, (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), etc.) durchgeführt. In ähnlicher Weise variieren die Eigenschaften des Beschichtungsmaterials, das auf das Produkt aufgebracht wird, je nach Anwendungsbereich des zu beschichtenden Materials und den Eigenschaften, die zum Produkt beitragen sollen. Titandioxid ist aufgrund seiner hohen Festigkeitswerte und seiner biokompatiblen Struktur eines der dafür verwendeten Materialien.
Bei modernen Anwendungen können Beschichtungen auf Titanoxidbasis mit verschiedenen Verfahren wie der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), der Mikrolichtbogenoxidation oder dem thermischen Spritzen auf die Oberfläche des metallischen Substratmaterials hergestellt werden. Unter diesen Anwendungen werden mit dem verwendeten PVD-Verfahren Dünnfilmbeschichtungen erhalten. Obwohl die erhaltene Beschichtung von hoher Qualität ist, tritt aufgrund des Umstandes, dass es sich eben um eine Dünnfilmbeschichtung handelt, ein Verschleiß unter hohen Belastungen auf, wodurch die Lebensdauer der Beschichtung verkürzt wird. Bei dem Verfahren der Mikrolichtbogenoxidation, das ein weiteres Verfahren nach dem Stand der Technik ist, ist die grundlegendste Einschränkung die Art des zu verwendenden Substratmaterials. Es gibt nur ein metallisches Substratmaterial, das zur Gewinnung von Titanoxid verwendet werden kann, nämlich Titan oder eine seiner Legierungen. Ein weiteres Verfahren, das nach dem Stand der Technik angewendet wird, ist das thermische Spritzen. Bei diesen Verfahren können während der Herstellung der Beschichtung:

- eine Erhöhung der Temperatur der gespritzten Pulver auf hohe Temperaturen (halbgeschmolzener oder geschmolzener Zustand) aufgrund der schnellen Temperaturänderungen eine Bildung von Rissen oder Zugeigenspannungen auf der Beschichtung;
- darüber hinaus hohe Prozesstemperaturen je nach den Eigenschaften des Substratmaterials die Bildung von Schmelzbereichen an der Oberfläche oder die Bildung von Rissen oder Spalten an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat, verursachen.

Bei denjenigen Patentanmeldungen, die anhand dieses Standes der Technik verwirklicht wurden, ist das Merkmal eines niedrigen Reibungskoeffizienten der erhaltenen Oberflächen undeutlich oder unzureichend, und die antibakterielle Eigenschaft wird nur durch das Silber(Ag)-Element bereitgestellt, das jedoch Toxizitätspotenzial besitzt.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Anwendung in dem USamerikanischen Patentdokument Nr. US20140255874 offenbart zwei Verfahren, die zur Modifikation der Oberfläche des Implantatmaterials entwickelt wurden. Bei dem ersten dieser Verfahren wird die Oberfläche des Implantatmaterials (Keramik oder Metall) zunächst mit einem biokompatiblen Material wie Titan oder Zirkon unter Verwendung des physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (PVD) beschichtet. Anschließend wird die Beschichtung in Natronlauge chemisch in Titanoxid oder Zirkonoxid umgewandelt. Als Endstufe wird es bei 600°C geglüht, wodurch die Festigkeit der Beschichtung erhöht wird. Die genannte Patentschrift offenbart die direkte Beschichtung der Implantatoberfläche mit Calciumtitanat- oder Calciumzirkonat-Werkstoffen unter Verwendung von Spritzverfahren (Plasmaspritzen, HVOF, dynamisches Kaltgasspritzen oder Magnetronsputtern) als zweites Verfahren.
Eine Anwendung gemäß Stand der Technik offenbart in der chinesischen Patentschrift Nr. CN102677125 die Bildung einer Titanoxidschicht auf der Oberfläche von Titan und Titanlegierungen, die als Implantatmaterial verwendet werden. In der Patentschrift wird die Oxidschicht auf der Oberfläche in einem einzigen Schritt unter Verwendung des Mikrolichtbogenverfahrens erhalten. Durch Zugabe von Silberpartikeln zu der für den Mikrolichtbogenverfahren verwendeten Lösung kann die Oxidschicht antibakteriell gemacht werden.
Bei einer Anwendung gemäß Stand der Technik wird mit dem Verfahren der Patentschrift „Metal Implants“ mit der Nummer TR 2010/09282 eine einzige Titanschicht erhalten. Für die Herstellung dieser Schicht wird das Plasmaspritzverfahren verwendet. Diesem Verfahren entsprechend wird die Abscheidung von Metallkationen gegen Infektionen auf der Beschichtungsoberfläche durch Anodisation oder Verarbeitung mit Phosphorsäure ermöglicht. Darüber hinaus wird erwähnt, dass die erhaltene Beschichtungsoberfläche mit Hydroxylapatit oder Hydroxylapatit enthaltenden, infektionsverhindernden Metallkationen beschichtet wird.
Bei einer Anwendung aus dem Stand der Technik offenbart die chinesische Patentschrift Nr. CN103911593 die Bildung einer silberdotierten TiO₂-Dünnschicht auf einem Substratmaterial aus einer Titanlegierung in einem zweistufigen Verfahren. In einem ersten Schritt wird die silberdotierte Titan-Dünnfilmbeschichtung mittels Magnetronsputtern auf das Substratmaterial aufgebracht und anschließend das Titan auf der Oberfläche mittels eines thermischen Oxidationsverfahrens oxidiert. Schließlich werden anhand der auf Titanoxid basierenden, silberdotierten Dünnschicht die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit verbessert und es kann eine antibakterielle Oberfläche erhalten werden.
Das chinesische Patentdokument Nr. CN103276393 offenbart eine nach dem Stand der Technik bekannte Anwendung, bei der ein dünner Film aus einer stickstoffdotierten Titanschicht auf der Oberfläche eines Edelstahlsubstrats durch Doppelglühplasma-Oberflächenlegierungstechnologie angefertigt wird sowie die Herstellung einer porösen stickstoffdotierten TiO₂-Schicht auf der Oberfläche durch Anodisierung.
Eine Anwendung nach dem Stand der Technik in dem russischen Patentdokument Nr. RU2524654 offenbart eine mehrkomponentige, bioaktive Nanokompositbeschichtung mit antibakterieller Wirkung. Als Beschichtungsmaterial wird ein Material auf Titan-Kohlenstoffnitridbasis verwendet, das zusätzliche Elemente umfasst, die mechanische und tribologische Eigenschaften sowie biologisch aktive und antibakterielle Eigenschaften bieten. Die Grundelemente (X) Ti, C, N und die zusätzlichen Elemente (Y) Ag, Ca, Zr, Si, O, P, K, Mn werden in der Beschichtung verwendet. Die Beschichtung der Erfindung weist eine hohe Härte, einen niedrigen Elastizitätsmodul, einen hohen Wert elastischer Rückstellung, einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine niedrige Verschleißrate auf.
Eine Anwendung gemäß Stand der Technik in dem neuseeländischen Patentdokument Nr. NZ630819 , offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Titan-Tragstruktur. Bei diesem Verfahren werden Titanpartikel durch dynamisches Kaltgasspritzen an einem entsprechend geformten Trägerelement, wie beispielsweise Aluminium, abgeschieden.
Eine gemäß Stand der Technik des internationalen Patent Dokuments Nr. WO2010091770 bekannte Anwendung offenbart ein wärmeabstrahlendes Beschichtungsmaterial auf Titanoxidbasis. Diese Beschichtung umfasst Titandioxid oder ein reduziertes Titanoxid als Basismaterial. Titandioxid (TiO₂) wird in ein reduziertes Titanoxid umgewandelt, wenn es in einem Ofen unter einer Atmosphäre aus H₂ oder CO₂ auf eine hohe Temperatur erhitzt wird.
In einer gemäß Stand der Technik bekannten Anwendung in dem türkischen Patentdokument Nr. TR 2014/13478 (als Validierung des europäischen Patentdokuments Nr. EP1789602 ) wird ein Verfahren zur Oberflächenoxidation von Zirkon und Zirkonlegierungen und dem daraus resultierenden Produkt offenbart. Eine Beschichtung aus blau-schwarzem oder schwarz oxidiertem Zirkon von gleichmäßiger und kontrollierter Dicke auf einem Zirkon- oder Zirkonlegierungsmaterial wird durch die oxidative Behandlung eines amorphen Zirkon- oder Zirkonlegierungssubstrats mit einer veränderten Oberflächenrauigkeit durchgeführt. Eine oxidierte Zirkonbeschichtung von gleichmäßiger und kontrollierter Dicke ist besonders nützlich auf orthopädischen Implantaten aus Zirkon oder zirkonbasierten Legierungen, um reibungsarme, hochverschleißfeste Oberflächen auf künstlichen Gelenken, wie z.B. Hüftgelenken, Kniegelenken, Schultern, Ellbogen und Wirbelsäulenimplantaten, bereitzustellen. Die oxidierte Zirkonschicht auf Prothesen bildet eine Barriere gegen Korrosion. Die Erfindung ist auch in nicht artikulierenden Implantatvorrichtungen wie Knochenplatten, Knochenschrauben usw. nützlich.
Eine Anwendung gemäß Stand der Technik offenbart in der türkischen Patentschrift Nr. TR 2012/09392 die Beschichtung von Magnesium und Magnesiumlegierungen mit Aluminiumoxid bei niedrigen Temperaturen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten von Magnesium und Magnesiumlegierungen mit Aluminiumoxid bei einer niedrigen Temperatur, das keine innere Strukturveränderung bewirkt; wobei das Verfahren für den Einsatz in Industrien wie der Luft- und Raumfahrt, der Chemie-, Lebensmittel-, biomedizinischen, Automobil-, Elektro- und Elektronik-, Kommunikationsindustrie entwickelt wurde, und die Verfahrensschritte der Vorbereitung der Oberflächen von Magnesium- und Magnesiumlegierungen, die aus Leichtmetallen bestehen, zur Beschichtung und zur Bestimmung und Vorbereitung des zu beschichtenden Pulvers umfasst, sowie anschließend die Verfahrensschritte der Beschichtung von Aluminium und Aluminiumlegierungen auf die besagten Magnesium- und Magnesiumlegierungen mittels dynamischen Kaltgasspritzens und der Umwandlung der gebildeten Beschichtung in Aluminiumoxid mittels eines Mikrolichtbogenoxidationsverfahrens im Alkalielektrolyten unter hoher Spannung und Stromdichte.
Überblick über die Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine verschleißfeste, antibakterielle und bioaktive Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau mit niedrigem Reibungskoeffizienten zur Verfügung zu stellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau bereitzustellen, welches es ermöglicht, durch thermische Oxidation Titanoxid auf der äußersten Oberfläche der Beschichtung zu bilden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau bereitzustellen, welches es ermöglicht, die in der Beschichtungsstruktur vorhandenen Diskontinuitäten mit dem in der Beschichtung enthaltenen Zink zu füllen, welches während der thermischen Oxidation zum Flüssigphasensintern in der Flüssigphase führt, und welches die Bildung einer strukturell dichteren Beschichtung ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau zur Verfügung zu stellen, bei dem die gewünschten Anforderungen (antibakterielle Eigenschaften, niedriger Reibungskoeffizient, etc.) im Endprodukt durch Zugabe verschiedener Komponenten zur Pulvermischung (metallische und keramische Pulver) erfüllt werden.
Figurenliste
Das „Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau“, entwickelt zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ist in den beigefügten Zeichnungsfiguren veranschaulicht, in denen;

1 eine Darstellung der Auftragung des Reibungskoeffizienten ist, der aus dem Verschleißversuch an einer Aluminiumoxidkugel von 6 mm Durchmesser unter 4 Newton Belastung der Co-Cr-Mo-Legierung erhalten wurde, wobei die Beschichtung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
2 eine Ansicht des REM-Fotos des Ergebnisses der Anwendung des Bioaktivitäts-Tests auf die Beschichtung in einer simulierten Körperflüssigkeit ist.
3 eine Ansicht einer Makroaufnahme des Ergebnisses der Anwendung des antibakteriellen Scheibendiffusionstests auf die Beschichtung unter Verwendung von Staphylococcus aureus-Bakterien ist.

Jede der in den Abbildungen dargestellten Komponenten ist mit einer der folgenden Bezugszeichen versehen:

Co-Cr-Mo_A. Co-Cr-Mo-Legierung

KN. Beschichtete Probe

KY. Beschichtungsoberfläche

CH. Hydroxylapatit, ausgefällt in SBF

BAB. Von Bakterien dekontaminierter Bereich
Ein Verfahren zur Herstellung einer Dickschicht gemäß der vorliegenden Erfindung, welches es ermöglicht, eine verschleißfeste, antibakterielle und bioaktive geschichtete Dickschicht mit niedrigem Reibungskoeffizienten zu bilden, umfasst die folgenden Schritte:

- Erhöhen der Oberflächenrauheit des Substratmaterials (Co-Cr-Mo-Legierung) auf ein Niveau von 2-5 µm für die Beschichtung (durch Schleifprozess),
- Herstellen von Pulvermischungen mit 95-90 Gew.-% Titanpulver (rein, Größe <44µm) und 5-10 Gew.-% Zinkpulver (rein, Größe <44µm) für den Beschichtungsprozess,
- Bilden der Beschichtung auf der Substratoberfläche mittels dynamischer Kaltgasspritztechnik mit Luft von 6 bar oder höherem Druck,
- mechanisches Reinigen (über SiC-Schleifpapier) und Polieren der Beschichtungsoberfläche (mit Diamant- oder Aluminiumoxid-Suspension),
- Anwenden eines thermischen Oxidationsverfahrens auf der Beschichtungsoberfläche in Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 500-600°C für durchschnittlich 60 Stunden,
- Erhalten der verschleißfesten, antibakteriellen und bioaktiven Dickbeschichtung in schichtweisem Aufbau mit niedrigem Reibungskoeffizienten als Endprodukt.

Im Rahmen der Erfindung wird die Pulvermischung aus Zink und Titan auf die metallische Substratoberfläche (Co-Cr-Mo-Legierung) mittels dynamischen Kaltgasspritzens aufgebracht. Je nach Anforderung (antibakterielle Eigenschaften, etc.) an das Endprodukt werden der Pulvermischung verschiedene Komponenten (metallische und/oder keramische Pulver wie Ag, ZrO, ZnO) zugegeben. Die Oberfläche dieser Beschichtung wird einer thermischen Oxidation unterzogen, um Titanoxid auf der äußersten Oberfläche der Beschichtung zu bilden. Das in der Beschichtung enthaltene Zink bewirkt bei der thermischen Oxidation ein Flüssigphasensintern, wodurch die eventuell in der Beschichtungsstruktur vorhandenen Diskontinuitäten aufgefüllt werden und somit eine strukturell dichtere Beschichtung gebildet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Herstellung einer Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau, die antibakterielle Eigenschaften aufweist und eine hohe Verschleißfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf den Oberflächen metallischer Werkstoffe aufweist. Bei diesem Verfahren wird die Pulvermischung, die Zink und Titan umfasst, unter Verwendung eines dynamischen Kaltgasspritzverfahrens (2. Verfahrensschritt) auf einem metallischen Substrat beschichtet, dessen Oberfläche aufgeraut ist (1. Verfahrensschritt), und dann wird diese Beschichtung einer thermischen Oxidation (3. Verfahrensschritt) zur Bildung von Titanoxid auf der äußersten Oberfläche unterzogen.
Durch den Umstand, dass die metallischen Pulver, die während des dynamischen Kaltgasspritzens nach dem Prozess der Oberflächenaufrauhung aufgespritzt werden, nicht auf relativ hohe Temperaturen ansteigen, unterscheidet sich die Zusammensetzung der auf der Oberfläche der metallischen Substratmaterialien gebildeten Beschichtung nicht von der Pulverzusammensetzung. Während des dynamischen Kaltgas-Spritzverfahrens ermöglicht es der Umstand, dass die Temperatur der gespritzten Metallpulver 150-200°C nicht überschreitet, dass die Struktur der gespritzten Pulver mit der gebildeten Beschichtungsstruktur übereinstimmt. Beim Spritzen ist keine nennenswerte Oxidation der Pulver zu beobachten. Bei diesem Verfahren können die erhaltenen Beschichtungseigenschaften in einem weiten Bereich mit Hilfe der metallischen und/oder keramischen Pulver verändert werden, die der gespritzten Pulvermischung in unterschiedlichen Verhältnissen zugegeben werden. In Fällen, in denen der Verschleiß kritisch ist, können beispielsweise Keramikpulver (z.B. (ZrO2, ZnO) und in Fällen, in denen die antibakterielle Eigenschaft kritisch ist, antibakterielle Metallpulver (z.B. Zn, Cu, Ag) zu Titanpulvern hinzugefügt werden. Die durch dynamisches Kaltgasspritzen hergestellte Beschichtung auf Titanbasis wird unter atmosphärischen Bedingungen bei 500-600°C einer thermischen Oxidation unterzogen. Die Dicke der Titanoxidschicht, die auf der äußersten Oberfläche der Beschichtung gebildet wird, nimmt je nach Dauer der thermischen Oxidation zu, und diese Dicke erreicht bei 600°C in 60 Stunden 3 µm. Das bei der thermischen Oxidation in der Beschichtung enthaltene Zink bewirkt ein Flüssigphasensintern, wodurch die eventuell in der Beschichtungsstruktur vorhandenen Diskontinuitäten aufgefüllt werden und somit eine strukturell dichtere Beschichtung entsteht. Als Ergebnis dieser Prozesse nimmt die Härte der Beschichtung zu, ihre Verschleißfestigkeit wird verbessert und ihr Reibungskoeffizient sinkt. Darüber hinaus zeigt die Beschichtung eine verbesserte Bioaktivität und antibakterielle Eigenschaften.
Bei dem erfindungsgemäße Verfahren enthält das auf das Substratmaterial gespritzte Pulver, dessen Oberfläche aufgeraut wird, 5-10 Gew.-% Zink, um der Beschichtung einen niedrigen Reibungskoeffizienten zu verleihen. Durch das dynamische Kaltgasspritzverfahren kann eine titan- und zinkhaltige metallische Beschichtung mit einer Dicke von bis zu 200 µm auf dem Substratmaterial gebildet werden. Werden der gespritzten Mischung Aluminium, Silber, Keramik usw. in Pulverform zugesetzt, so können die Eigenschaften der Beschichtung in einem weiten Bereich verändert werden. Während das zu beschichtende Material eine Mischung aus verschiedenen Pulvern enthält, zeichnet sich die erhaltene Beschichtung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch ihre Bioaktivität sowie ihre antibakterielle Eigenschaft und ihren niedrigen Reibungskoeffizienten während des Verschleißtests aus. Das Vorhandensein eines hohen Titananteils in dieser Beschichtung (vorzugsweise 90-95 Gew.-%) ist mit der hohen Affinität von Titan zu Sauerstoff verbunden. Durch das thermische Oxidationsverfahren (unter atmosphärischen Bedingungen für 60 Stunden bei 500-600°C), dem dritten Verfahrensschritt der Erfindung, wird an der äußersten Oberfläche eine Titanoxidschicht mit einer Dicke von 2-3 µm gebildet. Durch diesen Prozess wird die Beschichtung in einen Schichtaufbau umgewandelt und erhält die Eigenschaft, eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit sowie einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufzuweisen.
Die im Rahmen der Erfindung gebildete Beschichtung ist für diejenigen technischen Anwendungen (Automobil, Flugzeug, etc.) geeignet, bei denen Reibung und Verschleiß auftreten. Unter trockenen Umgebungsbedingungen, bei denen keine Schmierung durchgeführt wird, beträgt der Reibungskoeffizient dieser Beschichtung unter 4N Last <0,1. Aufgrund dieser Eigenschaft hat die erfindungsgemäße schichtweise Beschichtung das Potenzial, den Einsatz des Schmierstoffs, der zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß in technischen Anwendungen eingesetzt wird und negative Auswirkungen auf die Umwelt hat, zu begrenzen. Die auf die Co-Cr-Mo-Legierung aufgebrachte Beschichtung wurde durch eine hin- und hergehende Verschleißprüfvorrichtung gegen eine Aluminiumoxidkugel mit 6 mm Durchmesser unter einer Belastung von 4 Newton unter trockenen Gleitbedingungen (normale atmosphärische Bedingungen) einem Verschleißtest unterzogen, und die Auftragung des erhaltenen Reibungskoeffizienten ist in 1 dargestellt. Die Verschleißprüfungen, die in einem trockenen Gleitzustand durchgeführt werden, zeigen, dass die erfindungsgemäße Beschichtung wichtige Vorteile für den Schutz des Substratmaterials bietet, indem sie die Verschleißfestigkeit erhöht und den Reibungskoeffizienten in technischen Anwendungen verringert, bei denen Verschleiß und Reibung wichtig sind.
Der Umstand, dass Titanoxid bioaktiv ist, ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtung im biomedizinischen Bereich (z.B. für orthopädische Implantate, die Biokompatibilität bei gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit erfordern). Das der Beschichtung zugegebene Zink hat den Vorteil, dass es der Beschichtung antibakterielle Eigenschaften und einen niedrigen Reibungskoeffizienten verleiht. Daher kann die erfindungsgemäße, schichtweise aufgebaute Beschichtung auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen antibakterielle Oberflächen verlangt werden. Unter Berücksichtigung der positiven Auswirkungen von Zink auf die biologische Aktivität im menschlichen Körper macht der Umstand, dass die Beschichtung Zink enthält, den schichtweisen Aufbau der erfindungsgemäßen Beschichtung für den medizinischen Bereich noch attraktiver. In diesem Zusammenhang wurde der Bioaktivitäts-Test in simulierter Körperflüssigkeit und der antibakterielle Aktivitätstest mit Staphylococcus aureus-Bakterien auf die Beschichtung angewendet, deren Ergebnisse in bzw. dargestellt sind. Die Ergebnisse der Verschleiß-, Bioaktivitäts- und antibakteriellen Aktivitätstests zeigen, dass die erfindungsgemäße Beschichtung mit schichtweisem Aufbau zur Verbesserung der Leistung und der Eigenschaften der Implantate beiträgt.
Der Umstand, dass die erfindungsgemäße Beschichtung die mechanischen Eigenschaften der metallischen Werkstoffe nicht beeinträchtigt und die Bioaktivität und die antibakteriellen Eigenschaften verbessert sowie den Reibungskoeffizienten verringert und gleichzeitig die Verschleißfestigkeit erhöht, zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Alternative zum Stand der Technik darstellen kann. Komponenten, deren Oberflächen nach dem vorliegenden Verfahren beschichtet werden, weisen Strukturen und Eigenschaften auf, die für den Einsatz in verschiedenen technischen Anwendungen in Branchen wie Automobil, Luftfahrt, Chemie, Biomedizin usw. geeignet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20140255874 [0005]
CN 102677125 [0006]
TR 2010/09282 [0007]
CN 103911593 [0008]
CN 103276393 [0009]
RU 2524654 [0010]
NZ 630819 [0011]
TR 2014/13478 [0013]
EP 1789602 [0013]
TR 2012/09392 [0014]

Claims

Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit schichtweisem Aufbau, welches es ermöglicht, eine verschleißfeste, antibakterielle und bioaktive, geschichtete Dickbeschichtung mit niedrigem Reibungskoeffizienten zu bilden, umfassend - Erhöhen der Oberflächenrauheit des Substratmaterials (Co-Cr-Mo-Legierung) auf ein Niveau von 2-5 µm für die Beschichtung, - Herstellen der Pulverzusammensetzung, die Titan (rein, <44 µm) und Zink (rein, <44 µm) enthält, für den Beschichtungsprozess, - Bilden der Beschichtung auf der Substratoberfläche mittels dynamischer Kaltgasspritztechnik, - mechanisches Reinigen, Polieren der Beschichtungsoberfläche, - Anwenden eines thermischen Oxidationsverfahrens auf der Beschichtungsoberfläche unter Luftatmosphäre, - Erhalten der verschleißfesten, antibakteriellen und bioaktiven geschichteten Dickbeschichtung mit niedrigem Reibungskoeffizienten als Endprodukt.
Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischung, die mittels des dynamischen Kaltgas-Spritzverfahrens auf die Metallsubstratoberfläche aufgebracht wird, 5-10% Zink und 90-95% Titan enthalten sind.
Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der metallischen Pulver des Spritzverfahrens auf 150-200 °C gehalten wird, um sicherzustellen, dass die Struktur der gespritzten metallischen Pulver mit der Struktur der Endbeschichtung während des dynamischen Kaltgas-Spritzverfahrens identisch ist.
Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das dynamische Kaltgas-Spritzverfahren gebildete Beschichtung auf Titanbasis einer thermischen Oxidation unter atmosphärischen Bedingungen und bei 500-600°C unterzogen wird.
Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf der Substratoberfläche mittels dynamischer Kaltgasspritztechnik durch dynamisches Kaltgasspritzen unter Verwendung von Luft mit 6 bar oder einem höheren Druck erfolgt.
Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das dynamische Kaltgasspritzverfahren eine titan- und zinkhaltige metallische Beschichtung mit einer Dicke von 100-200 µm hergestellt wird.
Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung für etwa 60 Stunden einer thermischen Oxidation unterzogen wird, um auf der äußersten Oberfläche der Beschichtung eine Titanoxidschicht mit einer Dicke von 2-3µm herzustellen.
Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Pulverzusammensetzung zumindest ein keramisches Pulver, ausgewählt aus einer Gruppe, die ZrO2, ZnO, Al2O3, zugegeben wird, um die Verschleißfestigkeit des Endprodukts zu erhöhen.
Herstellungsverfahren für eine Dickbeschichtung mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Pulverzusammensetzung zumindest ein antibakterielles metallisches Pulver, ausgewählt aus einer Gruppe von Zn, Cu, Ag, zugegeben wird, um die antibakterielle Eigenschaft des Endprodukts zu erhöhen.