Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica - opção de Produção, Desenvolvimento e Engenharia Automóvel. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Metals are the most used materials for implant devices, especially in orthopedics, but despite their long history of application issues such as material failure through wear and corrosion remain unsolved leading to a certain number of revision surgeries. Apart from the problems associated with insufficient material properties, another serious issue is an implant associated infection due to the formation of a biofilm on the surface of the material after implantation. Thus, improvements in implant technology are demanded, especially since there is a projected rise of implants needed in the future. Surface modification methods such as physical vapour deposition (PVD), oxygen diffusion hardening and electrochemical anodization have shown to be efficient methods to improve the surfaces of metallic bulk materials regarding biomedical issues. This thesis was focused on the development of functional PVD coatings that are suitable for further treatment with surface modification techniques originally developed for bulk metals. The aim was to precisely adjust the surface properties of the implant according to the targeted application to prevent possible failure mechanisms such as coating delamination, wear or the occurrence of post-operative infections. Initially,  tantalum layers with approx 5 µm thickness were deposited at elevated substrate temperatures on cp Ti by RF magnetron sputtering. Due to the high affinity of tantalum to oxygen, these coatings are known to provide a self healing capacity since the rapid oxide formation is known to close surface cracks. Here, the work aimed to reduce the abrupt change of mechanical properties between the hard and brittle coating and the ductile substrate by creating an oxygen diffusion zone. It was found that the hardness and adhesion could be significantly increased when the coatings were treated afterwards by oxygen diffusion hardening in a two step process. Firstly, the surface was oxidized at a pressure of 6.7•10-3 mbar at 350 450 °C, followed by 1-2 h annealing in oxygen-free atmosphere at the same temperature leading to a diffusion of oxygen atoms into deeper parts of the substrate as proved by X-ray diffraction (XRD) analysis. The hereby caused mechanical stress in the crystal lattice led to an increase in Vickers hardness of the Ta layers from 570 HV to over 900 HV. Investigations into the adhesion of oxygen diffusion treated samples by Rockwell measurements demonstrated an increase of critical force for coating delamination from 12 N for untreated samples up to 25 N for diffusion treated samples. In a second approach, the development of modular targets aimed to produce functional coatings by metallic doping of titanium with biologically active agents. This was demonstrated by the fabrication of antimicrobial Ti(Ag) coatings using a single magnetron sputtering source equipped with a titanium target containing implemented silver modules under variation of bias voltage and substrate temperature. The deposition of both Ti and Ag was confirmed by X-ray diffraction and a clear correlation between the applied sputtering parameters and the silver content of the coatings was demonstrated by ICP-MS and EDX. Surface-sensitive XPS measurements revealed that higher substrate temperatures led to an accumulation of Ag in the near-surface region, while the application of a bias voltage had the opposite effect. SEM and AFM microscopy revealed that substrate heating during film deposition supported the formation of even and dense surface layers with small roughness values, which could even be enforced by applying a substrate bias voltage. Additional elution measurements using ICP-MS showed that the release kinetics depended on the amount of silver located at the film surface and hence could be tailored by variation of the sputter parameters. In a final step, the applied Ti and Ti(Ag) coatings deposited on cp Ti, stainless steel (316L) and glass substrates were subsequently nanostructured using a self-ordering process induced by electrochemical anodization in aqueous fluoride containing electrolytes. SEM analysis showed that nanotube arrays could be grown from the Ti and Ti(Ag) coatings deposited at elevated temperatures on any substrate, whereby no influence of the substrate on nanotube morphology could be observed. EDX measurements indicated that the anodization process led to the selective etching of Ti from Ti(Ag) coating. Further experiments on coatings deposited on glass surfaces revealed that moderate substrate temperatures during deposition resulting in smooth Ti layers as determined by AFM measurements, are favorable for the generation of highly ordered nanotube arrays. Such arrays exhibited superhydrophilic behavior as proved by contact angle measurements. XRD analysis revealed that the nanostructured coatings were amorphous after anodization but could be crystallized to anatase structure by thermal treatment at temperatures of 450°C. / Metalle sind die am häufigsten verwendeten Werkstoffe für orthopädische Skelettimplantate, wobei trotz der langjährigen Anwendungserfahrung immer noch Probleme wie Verschleiß und Korrosion zum Materialversagen führen können und damit eine Revisionsoperation notwendig machen. Abgesehen von solchen materialbedingten Problemen, sind implantatassoziierte Infektionen aufgrund der Bildung eines Biofilms auf der Werkstoffoberfläche nach der Implantation ebenfalls klinisch von hoher Relevanz. Somit sind Verbesserungen in der Implantattechnologie notwendig, zumal ein Anstieg der Anzahl von eingebrachten Implantaten in der Zukunft prognostiziert wird. Oberflächenmodifizierungsverfahren, wie die physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD), Sauerstoffdiffusionshärtung und elektrochemische Anodisierung sind dabei effiziente Methoden, um die Oberflächeneigenschaften von metallischen Werkstoffen für biomedizinische Anwendungen einzustellen. Diese Arbeit ist dabei auf die Entwicklung funktioneller PVD-Beschichtungen gerichtet, wobei deren weiterführende Modifikation mit ursprünglich für Volumenwerkstoffe entwickelten Verfahren erfolgt. Ziel war es, hierdurch die Eigenschaften der Implantatoberflächen noch anwendungsgezielter einzustellen, um möglichen Versagensmechanismen wie Schichtdelamination, Verschleiß oder das Auftreten einer post-operativen Infektion vorbeugen zu können. Zunächst wurden -Tantalschichten mit ca. 5 µm Dicke bei erhöhten Substrattemperaturen auf cp-Titan durch RF-Magnetron-Sputtern abgeschieden. Aufgrund der hohen Affinität von Tantal zu Sauerstoff ist für diese Beschichtungen ein Selbstheilungsmechanismus bekannt, da die schnelle Oxidbildung Oberflächenrisse schließt. Hier hatte die Arbeit es zum Ziel, die abrupte Änderung der mechanischen Eigenschaften zwischen der harten und spröden Beschichtung und dem duktilen Substrat durch die Erzeugung einer Sauerstoffdiffusionszone zu reduzieren. Es wurde gezeigt, dass die Härte und Adhäsion der Schichten durch ein zweistufiges Sauerstoffdiffusionshärten deutlich erhöht werden konnte. Hierzu wurde zunächst die Oberfläche bei einem Druck von 6,7*10-3 mbar bei 350-450 °C oxidiert. Ein nachfolgendes Anlassen in sauerstofffreier Atmosphäre bei gleicher Temperatur für 1-2 h führte dann zu einer Diffusion von Sauerstoffatomen in tiefere Bereiche des metallischen Substrats wie durch Röntgenbeugung (XRD) gezeigt werden konnte. Die hierdurch verursachte mechanische Spannung im Kristallgitter führte zu einem Anstieg der Vickers-Härte der Tantal-Schichten von 570 HV auf 900 HV. Untersuchungen zur Haftung der Sauerstoffdiffusions-behandelten Proben anhand von Rockwell Messungen zeigten einen Anstieg der zur Delamination der Beschichtung notwendigen kritischen Kraft von 12 N für unbehandelte Proben auf bis zu 25 N für die diffusionsgeglühten Proben. Ein zweiter Ansatz war auf die Entwicklung modularer Targets zur Erzeugung funktioneller Titanbeschichtungen mit Dotierungen aus biologisch aktiven Metallionen gerichtet. Dies wurde durch die Herstellung von antimikrobiellen Ti(Ag) Beschichtungen über eine einzelne Titan-Magnetronsputterquelle mit implementierten Silbermodulen unter Variation der Vorspannung und Substrattemperatur erreicht. Die Abscheidung von sowohl Ti und Ag wurde durch Röntgenbeugung gezeigt und es konnte eine valide Korrelation zwischen den angewandten Sputter-Parametern und dem Silbergehalt der Beschichtungen durch ICP-MS und EDX-Messungen bestätigt werden. Oberflächenempfindliche XPS-Messungen zeigten, dass höhere Substrattemperaturen zu einer Anreicherung von Ag im oberflächennahen Bereich, während das Anlegen einer Vorspannung den gegenteiligen Effekt hatte. REM und AFM-mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Aufheizung des Substrats während der Schichtabscheidung die Bildung glatter und dichter Schichten mit geringer Rauhtiefe unterstützt, was durch Anlegen einer Vorspannung nochmals verstärkt werden konnte. Zusätzliche Freisetzungsstudien durch ICP-MS ergaben, dass die Freisetzungskinetik abhängig war von der Menge an Silber im oberflächennahen Bereich und somit über die Variation der Beschichtungsparameter eingestellt werden kann. In einem letzten Schritt wurden auf cp Ti, Edelstahl (316L) und Glassubstrate abgeschiedene Ti und Ti(Ag) Beschichtungen durch eine nachgeschaltete, elektrochemische Anodisierung in einem wässrigen fluoridhaltigen Elektrolyten nanostrukturiert. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass hierdurch nanotubuläre Arrays aus den Beschichtungen bei erhöhter Temperatur unabhängig von der Art des Substrats erhalten werden konnten, wobei kein Einfluss des Substrattyps auf die Morphologie der Nanostrukturen beobachtet werden konnte. EDX-Messungen zeigten, dass die Anodisierung zu einer selektiven Ätzung von Titan in Ti(Ag) Beschichtung führte. Weitere Versuche an Schichtsystemen auf Glasoberflächen ergaben, dass glatte Ti-Schichten durch moderate Substrattemperaturen während der Abscheidung entstanden, und diese sich vorteilhaft auf die Erzeugung hochgeordneter nanotubulärer Arrays auswirkte. Derartige Arrays zeigten in Kontaktwinkelmessungen ein superhydrophiles Verhalten. Röntgendiffraktometrische Analysen ergaben eine initial nach der Anodisierung amorphe Struktur der nanostrukturierten Beschichtungen, wobei durch eine thermische Behandlung bei Temperaturen von 450 °C die Bildung einer Anatas-Struktur beobachtet wurde.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Techn. Hochsch., Diss.--Aachen, 2006.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Zugl.: Dortmund, Techn. Univ., Diss., 2010

Universiẗat, Diss., 2004--Kiel.

Two families of PVD hard coatings were successfully used for high performance end milling of hardened H13 tool steel. The first family of coatings are AlCrN-based, they are used for wet machining and the other family is based on TiAlCrSiYN coating and are used for dry machining of H13. It was shown that there is a strong potential for further advancement in the wear performance of the coatings by improving the coating architecture as well as by varying the deposition parameters used during their synthesis. A number of deposition parameters of the coatings show a strong impact on wear performance of the cutting tools. Wear performance was related to the structure and a number of nano-mechanical characteristics of the coating layer assessed using the NanoTest system produced by Micro Materials. It was shown that critical characteristics like nano-hardness, loading support factor and nano-scaled scratch resistance can be used to predict the wear performance of a cutting tool. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

The aim of this project was to, based on a given idea, develop and evaluate a method for measuring residual stress in thin PVD coatings. AlCrN was deposited, by PVD, on thin circular samples of stainless steel foil and the radius of the emerged curvature was measured using an optical profilometer. From the radius data the residual stress in the coating of each sample was calculated. The foil samples examined were of two different thicknesses, 0.3 mm and 0.5 mm. With the parameters of the project the foils of 0.3 mm were found most suitable. Furthermore, the method was compared to an already established method where depositions are made on thicker substrates, which are then ground to an appropriate thickness. A correlation factor between the two methods was calculated and found to be 0.91 ± 0.28. Finally, the possibility of adapting the method in running production was investigated. Cost and time analyses were conducted and both supported the applicability of the method. / Projektets syfte var att utveckla och utvärdera en metod för att mäta restspänningar i tunna PVD-beläggningar utifrån en redan befintlig idé. Tunna cirkulära prover av rostfritt stål belades med AlCrN genom PVD och radien på den utböjning som uppstod mättes med en optisk profilometer. Restspänningen bestämdes sedan utifrån den uppmätta radien. Folier av två olika tjocklekar, 0,3 mm och 0,5 mm, utvärderades. Med de processparametrar som användes i projektet visades att folien med tjocklek 0,3 mm var den bäst lämpade. Metoden jämfördes även med en etablerad metod där tjocka substrat beläggs och sedan slipas ned till lämplig tjocklek. En korrelationsfaktor som relaterar de två metoderna bestämdes till 0,91 ± 0,28. Slutligen undersöktes möjligheterna att använda metoden i löpande produktion. Kostnads- och tidsanalyser utfördes och resultaten stödjer metodens användbarhet.