Tribocorrosion behaviour of Ti-TiB-TiNx in-situ hybrid composite

Abstract

Ti and its alloys are attractive materials for a variety of fields due to their properties such as high specific strength, long fatigue life, excellent corrosion resistance and biocompatibility. However, a major problem of Ti and its alloys is their poor wear resistance. It is well known that reinforcing Ti with hard ceramic phases can substantially improve the wear resistance. Thus, Ti−TiB−TiNx in-situ metal matrix composites were synthesized by reactive hot pressing utilizing Ti-BN powder blends with 23:1 Ti:BN weight ratio. Corrosion behaviour of the both materials was investigated in 9 g/l NaCl solution at 37ºC by performing open circuit potential (OCP) measurements, potentiodynamic polarization (PD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Tribocorrosion behaviour of the samples was investigated using reciprocating ball-on-plate tribometer, against 10 mm diameter alumina ball, under 1 N and 10 N normal load, 1 and 2 Hz frequency and 3 mm of total stroke length with the total sliding time of 3h, in 9 g/l NaCl solution at 37ºC. Worn and corroded surfaces were investigated by field emission gun scanning electron microscope (FEG-SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and the 2D profiles of wear tracks were obtained by a non-contact profilometer. Results suggested that formation of TiB and TiNx in-situ phases did not affect significantly the corrosion behaviour of Ti. Regarding the triboelectrochemical tests, composites tested under 1 N load and both 1 and 2 Hz frequency exhibited significantly lower tendency to corrosion under sliding, together with significantly lower wear loss as compared to the unreinforced samples. However, no clear difference was observed between the samples tested under 10 N.

O titânio e as suas ligas são materiais atrativos para uma variedade de áreas, devido às suas propriedades tais como alta resistência específica, tempo de vida em fadiga, excelente biocompatibilidade e resistência à corrosão. No entanto, um dos principais problemas do Ti e das suas ligas é a sua baixa resistência ao desgaste. Sabe-se que ao reforçar o titânio com fases cerâmicas duras pode melhorar consideravelmente a sua resistência ao desgaste. Assim, tanto amostras de titânio como de um compósito in-situ de matriz metálica Ti-TiB-TiNx, utilizando uma mistura 23:1 Ti/BN de relação peso, foram processados por prensagem a quente. O comportamento à corrosão dos dois materiais foram investigados numa solução de 9% em peso de NaCl a 37ºC através da realização testes de potencial de circuito aberto (OCP), polarização potenciodinâmica (PD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). O comportamento à tribocorrosão das amostras foram estudadas numa solução de 9 g/l de NaCl a 37ºC usando um regime alternativo num tribómetro, tendo sido utilizado uma bola de alumina de 10 milímetros de diâmetro como contra-corpo, com uma carga normal de 10 N e 1 N e uma frequência de 1 Hz e 2 Hz com 3mm de comprimento de total de curso e um tempo total de deslizamento de 30 minutos. As superfícies corroídas e desgastadas foram analisadas por microscopia eletrónica de varrimento equipado com equipado com espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS), e os perfis de pista de desgaste foram traçados utilizando um perfilometro. Os resultados sugerem que a formação das fases in-situ TiB e TiNx não têm um efeito significativo no comportamento do Ti à corrosão. Quanto aos testes de tribocorrosão, os compósitos testados com uma carga de 1 N com ambas as frequências de 1 e 2 Hz apresentaram uma menor tendência para a corrosão durante o deslizamento. Além disso, os compósitos testados com estas condições também apresentaram perda de desgaste significativamente menor, em comparação com as amostras não reforçadas. No entanto, não foi observada nenhuma diferença clara entre as amostras testadas com uma carga de 10 N.