Estudo de tratamentos térmicos da liga Ti-15Zr-xMo

Abstract

O titânio, e as ligas baseadas nesse elemento, são amplamente utilizados como biomateriais, com aplicações tanto como implantes dentários quanto ortopédicos. Para isso, apresentam características importantes como: biocompatibilidade, resistência à corrosão, em geral baixo módulo de elasticidade e baixa densidade. O titânio possui uma temperatura de transformação alotrópica, que propicia o controle das propriedades da liga pela manipulação de sua microestrutura, através da adição de elementos de liga e/ou tratamentos térmicos. De fato, para ligas de titânio com uma composição definida, a realização de tratamentos térmicos, permite modificar a microestrutura da liga e, consequentemente, modificar as propriedades mecânicas do material em questão, fator essencial para o estudo em aplicações como um implante médico. O presente trabalho tem como objetivo o estudo detalhado de diferentes tipos de tratamentos térmicos de ligas do sistema Ti-Zr-Mo. Diferente de outros trabalhos da literatura, o estudo foi feito para cada tratamento térmico separadamente, analisando a microestrutura e a microdureza das ligas visando uma aplicação biomédica. Primeiramente, as ligas foram fundidas em um forno de fusão à arco voltaico, com quatro composições diferentes de liga: Ti-15Zr, Ti-15Zr-5Mo, Ti-15Zr-10Mo e Ti-15Zr-15Mo. Dessa maneira, pretendeu-se obter amostras com microestruturas de fase α, α+β e β. Através de uma análise por EDS, um estudo sobre a composição química das amostras foi realizado, sendo que, determinou-se que as ligas foram fundidas com uma boa qualidade e sem a presença de aglomerados ou segregados. A análise microestrutural foi realizada a partir de microscopias óptica e eletrônica de varredura. Para a liga Ti-15Zr, foi possível observar apenas a presença de uma estrutura acicular de fase α. Por outro lado, a liga Ti-15Zr-5Mo possui uma microestrutura de matriz β com finas agulhas de fase α nos contornos de grão. As ligas Ti-15Zr-10Mo e Ti-15Zr-15Mo apresentaram somente contorno de grão do tipo β. Para os tratamentos térmicos, houve um aumento de fase α nas condições tratadas por 600°C. No entanto, os tratamentos térmicos de 900°C e 1000°C demonstraram uma variação de fase na liga dependente do tipo de resfriamento realizado, onde o resfriamento lento obteve um crescimento de fase α. Através da análise da microdureza, percebe-se que em geral houve um aumento nos valores com o acréscimo de Mo e fase β na liga, sendo que, a liga Ti-15Zr apresentou uma microdureza entre 282-327 HV; a liga Ti-15Zr-5Mo de 331-390 HV; Ti-15Zr-10Mo apresentou valores entre 389-432 HV e a Ti15Zr-15Mo de 343-433 HV.

The element titanium and its alloys are widely used as biomaterials with applications in both dental implants as in orthopedics materials. Therefore, important features are required such as: biocompatibility, corrosion resistance, low values of Young modulus and low density. Also, titanium has an allotropic transformation temperature, which provides controlling the mechanical properties of the alloy. A microstructure manipulation can be achieved by the addition of certain alloying elements and heat treatments. In fact, for titanium alloys with a defined composition, heat treatments allow microstructure modification, hence alteration in the mechanical properties of the material, an essential subject for the study of medical implants applications. This study provides a detailed study of heat treatment conditions in a Ti-Zr-Mo system alloy. Unlike other papers in the literature, this study was done for each heat treatment separately, analyzing the microstructure and microhardness of the alloys for a biomedical application. First, the alloys were melted in an arc voltaic furnace, with four different alloys compositions: Ti-15Zr, Ti-15Zr-5Mo, Ti-15Zr-10Mo and Ti-15Zr-15Mo. In order to obtain samples with α, α+β and β phase microstructures. Through EDS analysis, a study on the chemical composition of the samples was performed. It was determined that the alloys were cast with good quality and without the presence of agglomerates or segregates. Microstructural analysis with optical microscopy and scanning electron was realized. For Ti-15Zr alloy, it was only possible to observe the presence of a lamellar structure composed of α phase. On the other hand, the Ti-15Zr-5Mo alloy has a microstructure of a β phase matrix with fine needle of α phases at the grain boundaries. The Ti-15Zr-10Mo and Ti-15Zr-15Mo alloys showed only beta type grain boundary. For the 600°C heat treatment conditions, it is noticed a growth in the α phase. However, for the 900°C and1000°C, there was a phase transition regarding the cooling rate of the heat treatment. The microhardness analysis shown that in general, microhardness increases with the Mo and β phase content of the alloy, where the Ti-15Zr alloy presented a microhardness (HV) between 282-327 HV; the Ti-15Zr-5Mo of 331-390 HV; the Ti-15Zr-10Mo showed values within 389-432 HV and the Ti15Zr-15Mo of 343-433 HV.