Mechanical properties on nanometer scale and their relations to composition and microstructure : a nanoindentation study on carbon implanted Ti-6Al-4V

Abstract

Das Verschleissverhalten der für medizinische Prothesen verwendeten TiAl6V4-Legierung kann durch Kohlenstoffimplantation deutlich verbessert werden. Oft wird dies auf die Erhöhung der Härte im oberflächennahen Bereich zurückgeführt. Um diesen Effekt besser zu verstehen, wurden die Tiefenprofile von chemischer Zusammensetzung und Härte, sowie die Änderung der Mikrostruktur innerhalb der implantierten Region gemessen und, erstmalig, mit einer Genauigkeit von +/- 20 nm korreliert. Möglich wurde dies durch die Anwendung einer neuen Methode zur Härte-Tiefenprofilanalyse im Nanometerbereich, der Querschnittsmethode (CSM). Bei dieser Methode wird - im Unterschied zur bisher üblichen Lastvariationsmethode - die Härte nicht in Richtung des Härtegradienten, sondern senkrecht zu ihm, also in eine Richtung homogener Härte gemessen. Die Möglichkeit, mittels der CSM Härteänderungen innerhalb weniger 10 nm zu messen, wurde anhand einer Modellprobe (TiC-Schicht auf TiAl6V4-Substrat) demonstriert und für die Bestimmung des Härte-Tiefenprofils innerhalb der implantierten Region einer mit Kohlenstoff implantierten TiAl6V4-Legierung genutzt. Das Tiefenprofil der chemischen Zusammensetzung der C-implantierten TiAl6V4-Legierung wurde mit Hilfe der Kombination von Augerelektronenspektroskopie und Ionenzerstäuben gemessen und die Mikrostruktur innerhalb der implantierten Region wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Die Mikrostruktur der implantierten Region ist hauptsächlich durch TiC-Ausscheidungen geprägt, deren Dichte sich mit dem Kohlenstoffgehalt ändert: je höher der C-Gehalt, desto höher die Dichte an TiC-Ausscheidungen. Die Ausscheidungsdichte wiederum bestimmt die Härte innerhalb der implantierten Region: sie ist am höchsten in dem Bereich, wo sich eine nahezu kontinuierliche TiC-Schicht gebildet hat. In Bereichen mit geringerer Ausscheidungsdichte kann die Härte quantitativ durch TiC-Dispersionshärtung erklärt werden.

Carbon implantation into the medical prostheses alloy Ti-6Al-4V is known to significantly improve the wear behaviour of this alloy. This has been attributed to an increase in hardness in the near-surface region of the implanted alloy. To better understand the influence of carbon implantation on the hardness, the variation of hardness with depth within the carbon implanted region was measured , and, for the first time, was related with the local microstructure and the local chemical composition with a depth accuracy as small as 20 nm. This became possible by measuring the hardness-depth profile using the cross-section method (CSM). In the CSM, the indentations are made perpendicularly to the hardness gradient on a cross section of the specimen, i.e. in a direction of a homogeneous hardness, in contrast with the usually used load-variation method and in contrast with the constant-load method; in both the indentations are made in the direction of the hardness gradient. The possibility to measure changes in hardness with depth - with a depth resolution on the order of 10 nm - by using the CSM, was demonstrated by means of a model system (consisting of a 200 nm thick TiC film on a Ti-6Al-4V substrate), and was used to measure the hardness-depth profile of a carbon implanted Ti-6Al-4V alloy. Microstructure and chemical composition of the implanted alloy were determined using transmission electron microscopy and Auger electron spectroscopy, respectively. The microstructure within the implanted region can be characterized by TiC precipitates the density of which changes with depth in correspondence with the carbon content. The hardness depends on the precipitate density: the maximum hardness occurs at the depth where the TiC precipitate density is such high that an almost continuous TiC layer had formed. In zones with a smaller TiC precipitate density, the hardness can be quantitatively explained as due to TiC dispersion hardening.