Laser Surface Modification of the Wrought and LPBF-Printed Biomedical Co-28Cr-6Mo Alloys: Effects on nanoindentation and Tribological Behaviors

Abstract

В даній роботі розглянуто вплив модифікації поверхні лазерним променем на мікромеханічні та трибологічні властивості біомедичного сплаву Co-28Cr-6Mo, виготовленого за різними технологіями: (а) лиття+гаряча деформація та (б) 3D-друк за схемою лазерного порошкового сплавлення (Laser Powder Bed Fusion – LPBF). Поверхню деформованого та LPBF зразків оплавляли лазерним променем потужністю 400 Вт при скануванні зі швидкістю 5 мм∙с – 1 (використано волоконний лазер «TruFiber 400» (TRUMPF), довжина хвилі – 1064 нм). Дослідження проводили за допомогою оптичної (GX71, OLYMPUS) та електронної скануючої мікроскопії (JSM-7000F, JEOL), рентгенівської дифрактометрії (X'Pert PRO, PANalytical, Cu-Kα), наноіндентування (“G200 Nano Indenter”, Agilent Technologies) та випробувань на зношування тертям за схемою “Ball (Al2O3)-on-Plate” в середовищі, що імітує рідину людського тіла. Встановлено, що лазерна обробка привела до формування модифікованого (переплавленого) шару товщиною 500-550 мкм, що переважно складався із εCo (HCP) фази та мав дисперсну дендритну будову. Розмір дендритів у перерізі коливався від 5-12 мкм (у первинних осях) до 1,5-6,0 мкм – у вторинних осях, що набагато менше середнього розміру зерен у деформованому сплаві (44 мкм). Лазерна обробка підвищила твердість і межу текучості деформованого сплаву на 23 % (до 5,21 ГПа), а також зменшила його об’ємний знос на 25 %. В той же час, лазерна модифікація оплавленням практично не змінила мікромеханічні і трибологічні властивості LPBF сплаву, оскільки не відбулося подрібнення його мікроструктури відносно вихідного (немодифікованого) стану. Втім, лазерне оплавлення може бути корисним для 3D-друкованого Co28Cr-6Mo сплаву, оскільки воно забезпечує ущільнення структури в модифікованому шарі шляхом ліквідації пористості, характерної для виробів, виготовлених за технологією LPBF.

The object of this work is the effect of a laser beam surface treatment on the micro-mechanical and tribological properties of biomedical Co-28Cr-6Mo alloy manufactured by different methods (castingforging or Laser Powder Bed Fusion (LPBF)). The wrought and LPBF alloys were superficially melted by the laser beam of 400 W power (fiber laser «TruFiber 400» (TRUMPF) of 1064 nm wavelength) under a scanning velocity of 5 mm∙s – 1. The research was fulfilled using an optical (GX71 OLYMPUS) and electron scanning microscopy (JSM-7000F JEOL), X-ray diffraction (X'Pert PRO, PANalytical, Cu-Kα radiation), nanoindentation (“G200 Nano Indenter”, Agilent Technologies) and tribological testing (a “Ball (Al2O3)-onPlate” sliding in a simulated body fluid). It was found that laser treatment resulted in a modified (remelted) layer with a depth of 500-550 µm having mainly the εCo phase (HCP) structure formed by dispersed dendrites. The dendrite cross-section size varied from 5-12 µm (in the primary arms) to 1.5-6.0 µm in the secondary arms; these values are much lower than the average grain size in the wrought unmodified alloy (44 µm). Laser treatment increased the hardness and yield strength of the wrought alloy by 23 % (to 5.21 GPa), and decreased the volume wear by 25 %. In contrast, laser surface melting hardly changed the micromechanical and tribological properties of the LPBF alloy since its structure was not refined relatively the as-printed (unmodified) state. However, the melting-induced densification (porosity elimination) of the modified layer was observed in the LPBF alloy thus indicating the positive effect of laser modification on the structure of the LPBD-manufactured components.