Efeito da adição de oxigênio na estabilidade e metaestabilidade de fases em ligas de Ti-Nb aplicadas como biomaterial

Abstract

Las aleaciones de titanio tipo β presentan varias ventajas en comparación con las aleaciones de titanio α+β, debido a la alta resistencia mecánica, alta resistencia a la corrosión y superior biocompatibilidad. Además, presentan bajo módulo elástico. Las aleaciones de titanio tipo β son candidatas prometedoras en la fabricación de implantes ortopédicos. El objetivo principal de este trabajo es estudiar la estabilidad y metaestabilidad de fases en aleaciones de Ti-Nb tipo β con adiciones de oxígeno. Las aleaciones se caracterizaron con relación a su microestructura por microscopía óptica y difracción de rayos X, mientras que el comportamiento mecánico se evaluó mediante dureza Vickers y medidas de módulo elástico. Los resultados indican que las bajas velocidades de enfriamiento conducen a la formación de fases α y β y, finalmente, a la precipitación de la fase ω. Por otro lado, las altas velocidades de enfriamiento condujeron a la formación de estructuras martensíticas α“. Se pudo observar que, para todas las velocidades de enfriamiento aplicadas, los valores de dureza aumentaron a medida que se incrementó el contenido de oxígeno, estos resultados están asociados con la precipitación de la solución sólida intersticial fase α.

Resumo: Em se tratando de biomateriais ortopédicos, as ligas de titânio tipo ß apresentam diversas vantagens em relação às ligas do tipo 'alfa' + ß. Ligas contendo elementos ß estabilizadores são mais interessantes em função da alta resistência mecânica específica, da elevada resistência à corrosão e da excelente biocompatibilidade. Em adição, essas ligas exibem baixo módulo de elasticidade, característica fundamental na fabricação de implantes ortopédicos. O objetivo deste trabalho é a avaliação da estabilidade e metaestabilidade de ligas de Ti tipo ß do sistema Ti-Nb com adições de oxigênio. Amostras com composições Ti-30Nb-xO e Ti-35Nb-xO (x =0,1; 0,25; 0,5) (% em peso) foram preparadas por fusão a arco voltaico, homogeneizadas quimicamente em altas temperaturas, forjadas a quente e finalmente, submetidas a diferentes taxas de resfriamento. Tais amostras foram caracterizadas em relação à microestrutura por meio de microscopia óptica e eletrônica de varredura e de difração de raios-X, enquanto o comportamento mecânico foi avaliado por meio de ensaios de dureza Vickers, de medidas de módulo de elasticidade por meio de técnicas acústicas e de nano-dureza usando a técnica de nano-indentação. Os resultados obtidos indicam que baixas taxas de resfriamento conduzem à microestrutura formada pelas fases 'alfa' e ß e eventualmente, com a precipitação da fase 'omega'. Por outro lado, altas taxas de resfriamento conduziram à formação da estrutura metaestável martensítica 'alfa'. À medida que o teor de oxigênio foi incrementado e sob resfriamento lento, obteve-se a precipitação acentuada de fase 'alfa'. Sob elevadas taxas de resfriamento, o aumento dos teores de O e Nb resultaram na estabilização da fase ß e na redução da fração volumétrica da fase metaestável 'alfa'. As medidas de módulo de elasticidade mostram que em amostras submetidas a baixas taxas de resfriamento, a adição de oxigênio levou ao aumento do módulo de elasticidade. Para todas as taxas de resfriamento estudadas, observou-se que a dureza elevou-se com o aumento do teor de oxigênio, o que está associado à formação de solução sólida intersticial e à precipitação acentuada da fase 'alfa'.