Radial Expansion Fretting Of Metallic Stems Against Ceramic Femoral Heads

Abstract

In this thesis work, radial fretting experiments were conducted in order to characterize the contact mechanism between a metallic stem and a ceramic femoral head. Titanium-6Al-4V, Titanium Grade 2 and Cobalt-chromium flat metal specimens were selected as stem materials against alumina counter-body, replicating a femoral head, with a diameter of 10 mm. The experiments were conducted both with and without saline solution. The latter to simulate body fluid environment effect on fretting mechanism. After experiments, the flat specimens were observed under an optical microscope and SEM. The wear profiles of flat surfaces were characterized by a 3D profilometry. The wear volume without solution results indicated that, cobalt-chromium has the highest amount of wear followed by Ti-6Al-4V and Titanium Grade 2 respectively. When saline solution is in contact, wear volume results were changed significantly. For each stem material, the wear amount increased remarkably as compared to the in dry condition. In addition, Titanium grade 2 has a higher wear volume than Ti-6Al-4V while cobalt-chromium has the highest amount of wear. SEM observation was performed to see oxidation and/or corrosion traces on the contact surfaces. The stick-slip regimes of worn surfaces induced by radial fretting were analysed by SEM images. It can be concluded that in both conditions, titanium alloys showed better wear properties than the cobalt-chromium alloy when used against an alumina ball.

O presente trabalho incidiu sobre a caracterização do mecanismo de contacto entre a haste metálica e a cabeça cerâmica do fémur através de fretting de expansão radial. A geometria do contacto foi do tipo esfera-plano. Foram selecionado três materiais: duas ligas de titânio - grade 5 (6Al-4V) e grade 2 (CP titanium) e uma liga de crómio-cobalto sendo o contra corpo usado uma esfera de alumina com 10 mm. Os ensaios foram realizados com e sem presença de solução salina, sendo esta solução usada para simular o efeito dos fluidos corporais no comportamento ao fretting destes materiais. Após os ensaios, todas as amostras foram observadas em microscopia ótica e Microscopia Electrónica de Varrimento (MEV) tendo as respetivas marcas de desgaste sido caracterizadas por perfilometria 3D. Os resultados sem solução salina indicam uma menor resistência ao desgaste por parte da liga de crómio-cobalto seguida da liga titânio grade 5 e finalmente a liga grade 2. Quando a solução salina é adicionada o volume de desgaste aumenta significativamente em todas as amostras, quando comparados sem solução salina. Ainda, na presença da solução salina, o material que passa a ter maior resistência ao desgaste é a grade 5, mantendo-se o restante comportamento. A observação em MEV permitiu a análise da oxidação/corrosão das amostras em cada ensaio, assim como as zonas de stick-slip. Em suma, conclui-se que o comportamento de desgaste das ligas de titânio é superior à da liga de crómio-cobalto quando testados contra esferas de alumina.