Dr. Klaus Seppeler Stiftungspreis
für Herrn Shivasarathy Sankaran

Der diesjährige Klaus-Seppeler-Stiftungspreis wurde an Herrn Shivasarathy Sankaran für seine Masterarbeit mit dem Thema “Development of Plasma electrolytic oxidation coatings on Titanium alloys and its Tribo-(corrosion) behavior analysis” verliehen. Die Arbeit wurde am DECHEMA-Forschungsinstitut unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Fürbeth und Dr. Stephan Lederer angefertigt. 

Titanwerkstoffe werden seit etwa 30 Jahren in der Osteosynthese und der Implantattechnik eingesetzt. Dies erklärt sich durch ihr günstiges Eigenschaftsprofil wie eine hohe Festigkeit kombiniert mit einer geringen Steifigkeit, sowie einer guten Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit. Die derzeit am häufigsten in der Medizintechnik eingesetzten Legierungen (neben den Reintitansorten) sind Ti-6Al-4V und Ti-6Al-7Nb, welche zusätzlich gesundheitsschädliche Legierungselemente wie Vanadium und Aluminium enthalten. Aufgrund der relativ schlechten Verschleißfestigkeit von Titanlegierungen können diese Elemente bei tribologischer Beanspruchung eines Implantats in den Blutkreislauf gelangen. Aufgrund der bekannten negativen Auswirkungen von Aluminium auf den menschlichen Organismus und des zelltoxischen Verhaltens von Vanadium werden in an der TU Braunschweig in Kooperation mit dem DECHEMA-Forschungsinstitut Aluminium- und Vanadium-freie Titanlegierungen entwickelt, die korrosionsbeständig und weniger toxisch sind und zudem die mechanischen Eigenschaften des Standardmaterials Ti-6Al-4V erreichen.

In der ausgezeichneten Arbeit wurden diese neu entwickelte Titanlegierungen sowie das bekannte Material Ti-6Al-4V-EL als Referenz in Bezug auf ihr Korrosions- und Tribokorosionsverhalten untersucht. Um die vorteilhaften Eigenschaften von Titanwerkstoffen weiter zu verbessern, wurden die neuartigen CP-Ti 4+ Legierungen mittels Plasma-elektrolytischer Oxidation (PEO) modifiziert. Bei diesem plasma-elektrochemischen Verfahren wird die metallische Oberfläche unter Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung in eine keramische Oxidschicht umgewandelt. Dadurch wird die Härte und Abriebfestigkeit signifikant erhöht sowie die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs deutlich verbessert. Weiterhin können Biomineralien wie bspw. Hydroxylapatit, auf der Implantatoberfläche abgeschieden und somit ein verbessertes Anwachsen des Implantats an den Knochen erzielt werden.

Dazu wurden verschiedene Ca-P-haltige Elektrolyte eingesetzt und die Schichtbildung unter Gleichstrom bzw. im gepulsten Modus untersucht. Die Morphologie der Oberflächen sowie metallographische Querschliffe der erzeugten Oxidschichten wurden mittels SEM/EDX charakterisiert. Die erzeugten Phasen wurden mit XRD unter streifendem Einfall analysiert. Schichtdicke und Rauheit wurden für alle Schichten bestimmt. Das Korrosionsverhalten der unbehandelten CP-Ti 4+ Legierungen sowie der plasma-anodisierten Ti-Proben wurde u.a. durch Ruhepotentialmessungen und potentiodynamischer Polarisation in 1,5 Gew.-% NaCl, Hank‘s-Lösung und in künstlichem Speichel untersucht. Das synergetische Zusammenspiel von Verschleiß und Korrosion wurde mit Tribokorrosionsexperimenten an der Legierung Ti-6Al-4V-ELI in 3 Gew.-% NaCl und Hank’s-Lösung unter Variation der aufgebrachten Last, der Reibgeschwindigkeit und des Weges untersucht.

In den verwendeten Ca-P-haltigen Elektrolyten konnten Hydroxylapatit-haltige Titandioxidschichten mit einer Dicke von mehreren Mikrometern und einer porösen Struktur erzeugt werden. Durch das Plasmaanodisieren der Legierung kann auch die Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessert werden, die Wahl der PEO-Prozessparameter beeinflusst jedoch sehr das Ergebnis. Das Tribokorrosionsverhalten der Legierung hängt von der Last, der Reibgeschwindigkeit und dem Gleitweg ab. Das Verschleißvolumen steigt mit zunehmender Belastung und Weg, nimmt jedoch mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit aufgrund einer weniger effektiven Repassivierung und des damit einher gehenden geringeren oxidativen Verschleißes ab. Der Einfluss abrasiver Partikel spielt bei Tribokorrosion und unter trockenen Bedingungen eine große Rolle. Das Verschleißvolumen ist unter trockenen Bedingungen deutlich erhöht, was mit der Akkumulation von abrasiv wirkenden Verschleißpartikeln in der Verschleißspur erklärt werden kann. Nach Beenden der Tribokorrosionsexperimente kann in jedem Fall eine rasche Repassivierung des Materials festgestellt werden, was für die biomedizinische Anwendung von Nutzen ist.

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Wolfram Fürbeth, DECHEMA-Forschungsinstitut, Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main, 
http://dechema-dfi.de/CP_Titan+Grad+4_-p-123380.html

Shivasarathy Sankaran, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Unter den Eichen 87, 12205 Berlin