傾斜機能層を利用したハイブリッド表面改質による高強度バイオマテリアルの創製

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K17986
• Research Institution: National Institute of Technology, Toyota College
• Principal Investigator: 中村 裕紀 豊田工業高等専門学校, 機械工学科, 講師 (10612939)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 超高サイクル疲労 / ハイドロキシアパタイト / チタン合金 / 傾斜機能層 / ショットピーニング / 溶射

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，ハイドロキシアパタイト（HAp）溶射皮膜を有する高疲労強度複合バイオマテリアルの創製を目的として，チタン合金に対してHAp溶射を施す前にHAp粒子を用いたショットピーニングを施してチタンとHApの中間の性質を有する傾斜機能層の形成を試みた．その結果，チタン合金にHApが拡散したと考えられる，チタンとHApが混在する層が確認された．また，界面の基材（チタン合金）表面には著しい硬さの上昇が確認され，従来の溶射法よりも高い圧縮残留応力が生起していた．実験室・大気中において超高サイクル域におよぶ回転曲げ疲労試験を実施した結果，従来の溶射法に比べてやや疲労強度が低下する結果となった．従来の溶射法では，基材を粗面化させることで皮膜と基材の剥離を抑制するために溶射の前処理としてブラスト処理を施しているが，本研究ではブラスト処理後にHAp粒子を用いたショットピーニングを施している．これにより従来の溶射法よりも基材の表面粗さが改善されたため溶射皮膜と基材の界面強度が低下し，皮膜が疲労過程中において容易に剥離することで界面からき裂が発生して疲労強度の低下に繋がったと考えられる．溶射を施す前にHAp粒子を用いたショットピーニングを施した試験片の疲労試験後の破面を走査型電子顕微鏡（SEM: Scanning electron microscope）を用いて観察した結果，疲労き裂は溶射皮膜と基材の界面より発生していた．したがって，溶射を施した材料の界面強度は，その疲労強度に大きな影響を及ぼすことが確認された．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

チタンおよびHApが混在する層は確認できたが，溶射の前にHAp粒子を用いたショットピーニングを施すことで疲労強度は改善されていない．したがって，疲労強度を改善させる適切な処理条件を模索中であることからやや遅れていると判断する．

Strategy for Future Research Activity

2017年度は，まず疲労強度を改善する適切な処理条件を見つける．回転曲げ疲労試験および軸荷重疲労試験を実施し，荷重負荷様式による疲労特性の違いを調べる．また，疲労試験中におけるHAp溶射皮膜と基材の剥離をアコースティックエミッション法を用いて検出し，破断に至るまでのき裂の進展挙動を調査する．

Causes of Carryover

アコースティックエミッション用の装置やセンサが特注で製造に時間がかかり，2016年度に納品が間に合わなかったことが理由である．

Expenditure Plan for Carryover Budget

アコースティックエミッション用の装置やセンサを購入するために使用することが既に決定している．