Investigation of new Ti-based metallic glasses with improved mechanical properties and corrosion resistance for implant applications

The glass-forming Ti75Zr10Si15 alloy is regarded as a potential new material for implant applications due to its composition of non-toxic, biocompatible elements and many interesting mechanical properties. The effects of partial substitution of 15 at.-% Ti by Nb on the microstructure and mechanical behavior of the alloy have been investigated. The limited glass-forming ability (GFA) of the Ti75Zr10Si15 alloy results for melt-spun ribbons mainly in nanocomposite structures with β-type nanocrystals being embedded in a glassy matrix. Addition of Nb increases the glass-forming ability. Raising the overheating temperature of the melt prior to melt-spinning from 1923 K to 2053 K yields a higher amorphous phase fraction for both alloys. A decrease of hardness (H), ultimate stress and reduced Young’s modulus (Er) is observed for Ti60Zr10Nb15Si15 rods as compared to Ti75Zr10Si15 ones. This is attributed to an increase of the fraction of the β-type phase. The melt-spun ribbons show an interesting combination of very high hardness values (H) and moderate reduced elastic modulus values (Er). This results in comparatively very high H/Er ratios of >0.075 which suggests these new materials for applications demanding high wear resistance. The corrosion and passivation behavior of these alloys in their homogenized melt-spun states have been investigated in Ringer solution at 37°C in comparison to their cast multiphase crystalline counterparts and to cp-Ti and β-type Ti-40Nb. All tested materials showed very low corrosion rates. Electrochemical and surface analytical studies revealed a high stability of their passive states in a wide potential range. The addition of Nb does not only improve the glass-forming ability and the mechanical properties but also supports a high pitting resistance even at extreme anodic polarization. With regard to the corrosion properties, the Nb-containing nearly single-phase glassy alloy can compete with the β-type Ti-40Nb alloy. In addition, it has been demonstrated that thermal oxidation could be well applied to Ti75Zr10Si15 and Ti60Zr10Nb15Si15 melt-spun ribbons. Thermal oxidation treatment is one of the simple and cost-effective surface modification methods to improve the surface characteristics of these alloys. In the first tests, ribbon samples of the ternary and the quaternary alloy which were oxidized at 550°C in synthetic air showed suitable fundamental properties for implant applications, i.e. high hardness, good wettability and hydroxyapatite-forming ability after 10 days. All these properties recommend the new glass-forming alloys for application as wear- and corrosion-resistant coating materials for implants.Die glasbildende Legierung Ti75Zr10Si15 wird wegen ihrer biokompatiblen Zusammensetzung ohne toxische Elemente und auf Grund interessanter mechanischer Eigenschaften als potentielles neues Implantatmaterial betrachtet. Es wurden 15 at.-% Ti durch Nb partiell substituiert und die Effekte auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Legierung untersucht. Auf Grund der eingeschränkten Glasbildungsfähigkeit von Ti75Zr10Si15 bestehen die schmelzgeschleuderten Bänder dieser Legierung hauptsächlich aus Nanokomposit-Strukturen mit β-phasigen Nanokristallen in einer glasartigen Matrix. Die Zugabe von Nb steigert die Glasbildungsfähigkeit. Das Anheben der Überhitzungstemperatur der Schmelze vor dem Schmelzschleudern von 1923 auf 2053 K führt für beide Legierungen zu einem höheren Anteil amorpher Phase. Es wird bei der Legierung Ti60Zr10Nb15Si15 im Vergleich zur Ti75Zr10Si15-Legierung eine Abnahme der Härte (H), Bruchfestigkeit und ein reduzierter E-Modul (Er) beobachtet. Dies wird mit dem Anstieg des beta-Phasenanteils erklärt. Die schmelzgeschleuderten Bänder zeigen eine interessante Kombination aus sehr hoher Härte und moderaten E-Modul Werten (Er). Dies führt zu vergleichsweise sehr hohen H/Er-Verhältnissen von >0,075, wodurch diese Materialien für Anwendungen mit hohen Verschleißanforderungen geeignet sind. Das Korrosions- und Passivierungsverhalten dieser Legierungen in ihrem homogenisierten schmelzgeschleuderten Zustand wurde in Ringer-Lösung bei 37°C untersucht und mit dem gegossenen vielphasigen kristallinen Zustand dieser Legierungen sowie mit cpTi und beta-Typ Ti-40Nb verglichen. Alle untersuchten Materialien zeigten sehr niedrige Korrosionsraten. Elektrochemische Studien und Oberflächenanalysen belegen eine hohe Stabilität der Passivfilme in einem weiten Potentialbereich. Die Zugabe von Niob verbessert nicht nur die Glasbildungsfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften, sondern erhöht weiterhin die Lochfraßbeständigkeit, selbst bei stark anodischer Polarisation. Bezüglich der Korrosionseigenschaften konkurriert die Nb-haltige fast einphasige glasartige Legierung mit β-phasigem Ti-40Nb. Weiterhin wurde gezeigt, dass an schmelzgeschleuderten Bändern der Legierung Ti75Zr10Si15 und Ti60Zr10Nb15Si15 eine thermische Oxidation erfolgreich durchgeführt werden konnte. Die thermische Oxidation ist eine der einfachsten und kosteneffektivsten Möglichkeiten der Oberflächenmodifikation um die Eigenschaften der Oberflächen dieser Legierungen zu verbessern. In den ersten Tests zeigten die Bänder-Proben der ternären und der quaternären Legierung, die bei 550°C in synthetischer Luft oxidiert wurden, entsprechende Eigenschaften für Implantat-Anwendungen, d.h. hohe Härte, gute Benetzbarkeit und die Fähigkeit nach 10 Tagen Hydroxylapatit auf der Oberfläche zu bilden. Alle zuvor genannten Eigenschaften machen diese neuen glasbildenden Legierungen zu geeigneten Materialien für die Anwendung als verschleiß- und korrosionsbeständige Beschichtung für Implantate