Effect of laser radiation wavelength on the structure and functional properties of TiNi alloy during UV laser treatment

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. The widespread use of TiNi-based functional alloys in medicine requires targeted management of their surface properties, such as wettability and biocompatibility. One of the promising methods for surface modification is laser treatment, especially in the UV range of the spectrum. The efficiency of UV laser treatment is due to the high photon energy, strong absorption by metals, and the shallow depth of the thermal effect zone. The purpose of this work is to investigate the effect of UV laser radiation wavelength (266 and 355 nm) on the structural and phase state, chemical composition, and wettability of the TiNi alloy surface, with the goal of subsequently controlling the material's functional properties. Materials and research methods. TiNi surface modification was performed using a pulsed Nd:YAG laser operating at wavelengths of 266 and 355 nm in ambient air. The modified surfaces were analyzed by scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy (SEM-EDS). Microstructure, elemental composition, and phase composition were analyzed by X-ray diffraction (XRD). Wettability was estimated using the sessile drop method. The free surface energy, along with its dispersive and polar components, was then calculated from the contact angle data using the OWRK method. Results and discussion. UV laser treatment, varying parameters such as laser radiation wavelength and scanning speed, was found to induce changes in the morphology, elemental composition, phase composition of the surface layer of TiNi alloy samples, and their surface properties. Following UV laser treatment at wavelengths of 266 and 355 nm and low scanning speeds (V = 200 and 500 µm/s), single microcracks or microcrack networks resulting from thermal exposure were observed on the specimen surfaces. The oxygen content on the TiNi surface increased by a factor of 5 to 18 compared to the initial state after UV laser treatment. Furthermore, the phase composition of the TiNi alloy underwent noticeable changes, with titanium oxide phases being detected on the surface after laser exposure. The higher-energy photons (λ = 266 nm) resulted in a more pronounced change in the surface morphology and properties of TiNi compared to the 355 nm radiation under identical treating conditions. UV laser treatment significantly increased the surface hydrophilicity: the contact angle decreased from ≈75° in the initial state to ≈25° and ≈11° after treatment with 355 and 266 nm radiation wavelength, respectively. Additionally, an increase in the free surface energy of the TiNi specimens was observed, primarily due to a significant increase in the polar component.

About the authors

Tatyana Yu. Sablina

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: Sabltat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5941-5732
SPIN-code: 2120-5323
Scopus Author ID: 6603001185
ResearcherId: R-1411-2019

Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 634055, Russian Federation, Tomsk, 2/3 Akademichesky Avenue

Marina Yu. Kandaurova

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: panchenko.marina4@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0236-2227
SPIN-code: 6370-0134
Scopus Author ID: 56960055500
ResearcherId: A-9017-2019

Ph.D. (Physics and Mathematics)

Russian Federation, 634055, Russian Federation, Tomsk, 2/3 Akademichesky Avenue

Ilya A. Zyatikov

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: zyatikov@lgl.hcei.tsc.ru
ORCID iD: 0000-0003-3219-9299
SPIN-code: 7074-4486
Scopus Author ID: 55994040900
ResearcherId: A-8396-2019

Junior researcher

Russian Federation, 634055, Russian Federation, Tomsk, 2/3 Akademichesky Avenue

Yurii N. Panchenko

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: yu.n.panchenko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8017-7268
SPIN-code: 3088-5582
Scopus Author ID: 56245985700
ResearcherId: U-4319-2019
https://hcei.tsc.ru/company/staff/panchenko-yuriy-nikolaevich/

D.Sc. (Physics and Mathematics)

Russian Federation, 634055, Russian Federation, Tomsk, 2/3 Akademichesky Avenue

References

  1. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities / J.M. Jani, M. Leary, A. Subic, M.A. Gibson // Materials & Design. – 2014. – Vol. 56. – P. 1078–1113. – doi: 10.1016/j.matdes.2013.11.084.
  2. Fabrication of NiTi through additive manufacturing: A review / M. Elahinia, N.S. Moghaddam, M.T. Andani, A. Amerinatanzi, B.A. Bimber, R.F. Hamilton // Progress in Materials Science. – 2016. – Vol. 83. – P. 630–663. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2016.08.001.
  3. In vivo biocompatibility evaluation of nickel-titanium shape memory metal alloy: Muscle and perineural tissue responses and encapsule membrane thickness / J. Ryhänen, M. Kallioinen, J. Tuukkanen, J. Junila, E. Niemelä, P. Sandvik, W. Serlo // Journal of Biomedical Materials Research. – 1998. – Vol. 41 (3). – P. 481–488. – doi: 10.1002/(sici)1097-4636(19980905)41:3<481::aid-jbm19>3.0.co;2-l.
  4. Liu K., Yao X., Jiang L. Recent developments in bio-inspired special wettability // Chemical Society Reviews. – 2010. – Vol. 39 (8). – P. 3240–3255. – doi: 10.1039/b917112f.
  5. Improvements of anti-corrosion and mechanical properties of NiTi orthopedic materials by acetylene, nitrogen and oxygen plasma immersion ion implantation / R.W.Y. Poon, J.P.Y. Ho, X. Liu, C.Y. Chung, P.K. Chu, K.W.K. Yeung, W.W. Lu, K.M.C. Cheung // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2005. – Vol. 237 (1–2). – P. 411–416. – doi: 10.1016/j.nimb.2005.05.030.
  6. Slobodyan M.S., Markov A.B. Laser and electron-beam surface processing on TiNi shape memory alloys: A review // Russian Physics Journal. – 2024. – Vol. 67 (5). – P. 565–615. – doi: 10.1007/s11182-024-03158-5.
  7. Microstructural characterization of Ti-Ta-based surface alloy fabricated on TiNi SMA by additive pulsed electron-beam melting of film/substrate system / L.L. Meisner, A.B. Markov, V.P. Rotshtein, G.E. Ozur, S.N. Meisner, E.V. Yakovlev, V.O. Semin, Yu.P. Mironov, T.M. Poletika, S.L. Girsova, D.A. Shepel // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 730. – P. 376–385. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.09.238.
  8. Surface oxidation of NiTi shape memory alloy / G.S. Firstov, R.G. Vitchev, H. Kumar, B. Blanpain, J. Van Humbeeck // Biomaterials. – 2002. – Vol. 23 (24). – P. 4863–4871. – doi: 10.1016/S0142-9612(02)00244-2.
  9. Phase formation during air annealing of Ti-Ni-Ti laminate / E. Marchenko, Yu. Yasenchuk, G. Baigonakova, S. Gunther, M. Yuzhakov, S. Zenkin, A. Potekaev, K. Dubovikov // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 388. – P. 125543. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125543.
  10. Influence of laser surface texturing on the surface morphology and wettability of metals and non-metals: A review / M.A. Khan, A.M. Halil, M.S.Z. Abidin, M.H. Hassan, A.A.A. Rahman // Materials Today Chemistry. – 2024. – Vol. 41. – P. 102316. – doi: 10.1016/j.mtchem.2024.102316.
  11. Surface characterizations of laser modified biomedical grade NiTi shape memory alloys / A. Pequegnat, A. Michael, J. Wang, K. Lian, Y. Zhou, M.I. Khan // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – Vol. 50. – P. 367–378. – doi: 10.1016/j.msec.2015.01.085.
  12. Laser-induced wettability gradient surface on NiTi alloy for improved hemocompatibility and flow resistance / Q. Zhang, J. Dong, M. Peng, Z. Yang, Y. Wan, F. Yao, J. Zhou, C. Ouyang, X. Deng, H. Luo // Materials Science and Engineering: C. – 2020. – Vol. 111. – P. 110847. – doi: 10.1016/j.msec.2020.110847.
  13. Ultrashort laser texturing of superelastic NiTi: Effect of laser power and scanning speed on surface morphology, composition and wettability / C.A. Biffi, J. Fiocchi, M. Rancan, S. Gambaro, F. Cirisano, L. Armelao, A. Tuissi // Metals. – 2023. – Vol. 13 (2). – P. 381. – doi: 10.3390/met13020381.
  14. Chan C.-W., Carson L., Smith G.C. Fibre laser treatment of martensitic NiTi alloys for load-bearing implant applications: Effects of surface chemistry on inhibiting Staphylococcus aureus biofilm formation // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 349. – P. 488–502. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.06.015.
  15. The effect of fs-laser micromachining parameters on surface roughness, bio-corrosion and biocompatibility of nitinol / V. Chenrayan, V. Vaishnav, K. Shahapurkar, P. Dhanabal, M. Kalayarasan, S. Raghunath, M. Mano // Optics & Laser Technology. – 2024. – Vol. 170. – P. 110200. – doi: 10.1016/j.optlastec.2023.110200.
  16. Surface morphology modifications of titanium based implant induced by 40 picosecond laser pulses at 266 nm / D.S. Milovanovic, B.B. Radak, B.M. Gakovic, D. Batani, M.D. Momcilovic, M.S. Trtica // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – Vol. 501 (1). – P. 89–92. – doi: 10.1016/j.jallcom.2010.04.047.
  17. Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением / Т.Ю. Саблина, М.Ю. Панченко, И.А. Зятиков, А.В. Пучикин, И.Н. Коновалов, Ю.Н. Панченко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 218–233. – doi: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-218-233.
  18. Study on the surface properties and biocompatibility of nanosecond laser patterned titanium alloy / Y. Wang, M. Zhang, K. Li, J. Hu // Optics & Laser Technology. – 2021. – Vol. 139. – P. 106987. – doi: 10.1016/j.optlastec.2021.106987.
  19. Biocompatibility of micro/nanostructures nitinol surface via nanosecond laser circularly scanning / S. Li, Z. Cui, W. Zhang, Y. Li, L. Li, D. Gong // Materials Letters. – 2019. – Vol. 255. – P. 126591. – doi: 10.1016/j.matlet.2019.126591.
  20. Hebbar R.S., Isloor A.M., Ismail A.F. Contact angle measurements // Membrane Characterization / ed. by N. Hilal, A.F. Ismail, T. Matsuura, D. Oatley-Radcliffe. – Elsevier, 2017. – P. 219–255. – doi: 10.1016/B978-0-444-63776-5.00012-7.
  21. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers // Journal of Applied Polymer Science. – 1969. – Vol. 13 (8). – P. 1741–1747. – doi: 10.1002/app.1969.070130815.
  22. Razi S., Mollabashi M., Madanipour K. Laser processing of metallic biomaterials: An approach for surface patterning and wettability control // The European Physical Journal Plus. – 2015. – Vol. 130. – P. 247. – doi: 10.1140/epjp/i2015-15247-5.
  23. Application of laser ablation in adhesive bonding of metallic materials: A review / J. Min, H. Wan, B.E. Carlson, J. Lin, C. Sun // Optics & Laser Technology. – 2020. – Vol. 128. – P. 106188. – doi: 10.1016/j.optlastec.2020.106188.
  24. Repetitive nanosecond laser-induced oxidation and phase transformation in NiTi alloy / H. Choi, M. Na, I. Jun, M.-H. Lee, H.-D. Jung, H. Lee, J. Han, K. Lee, C.-H. Park, H.-E. Kim, J. Song, Y.-H. Koh, S. Kim // Metals and Materials International. – 2024. – Vol. 30. – P. 1200–1208. – doi: 10.1007/s12540-023-01581-w.
  25. The influence of surface treatment on wettability of TiNi-based alloy / Yu.F. Yasenchuk, S.V. Gunther, O.V. Kokorev, E.S. Marchenko, V. Gunther, G.A. Baigonakova, K.M. Dubovikov // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62 (2). – P. 333–338. – doi: 10.1007/s11182-019-01716-w.
  26. Surface free energy dominates the biological interactions of postprocessed additively manufactured Ti-6Al-4V / V.M. Villapun Puzas, L.N. Carter, C. Schröder, P.E. Colavita, D.A. Hoey, M.A. Webber, O. Addison, D.E.T. Shepherd, M.M. Attallah, L.M. Grover, S.C. Cox // ACS Biomaterials Science & Engineering. – 2022. – Vol. 8 (10). – P. 4311–4326. – doi: 10.1021/acsbiomaterials.2c00298.
  27. Laser-assisted tailoring of surface wettability – Fundamentals and applications: A critical review / A. Peethan, V.K. Unnikrishnan, S. Chidangil, S.D. George // Progress in Adhesion and Adhesives. Vol. 5: Surface modification of polymers: methods and applications / ed. by K.L. Mittal, S.D. George. – Scrivener Publishing LLC, 2020. – P. 331–265. – ISBN 9781119748069. – doi: 10.1002/9781119749882.ch11.
  28. Изменение смачиваемости поверхности нержавеющей стали на основе лазерного текстурирования рельефа / А.В. Рыженков, А.В. Волков, Е.С. Трушин, С.П. Черепанов // Глобальная энергия. – 2022. – Т. 28, № 4. – С. 136–146. – doi: 10.18721/JEST.28409.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Note

Funding

This research was carried out with support from the Russian Science Foundation grant No. 25-79-31008, https://rscf.ru/project/25-79-31008/



Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».