Estudo da liga Ti-15Nb com reforço in situ de TiC e TiB para combinar baixo módulo de elasticidade com alta resistência ao desgaste visando aplicações biomédicas

Abstract

Este trabalho tem como objetivo desenvolver novos compósitos de matriz à base de Ti (TMCs) que combinem baixo módulo de elasticidade e alta resistência ao desgaste para aplicações biomédicas. Especificamente, a liga Ti-15Nb (% em peso) foi selecionada, e foram utilizados diferentes teores de B4C, nas concentrações de 1, 3 e 5% em volume durante o processo de fusão em arco. A análise microestrutural confirmou a formação in situ de partículas de TiC e whiskers de TiB na matriz, com ambos os precipitados aumentando em tamanho e quantidade à medida que o teor de B4C aumentava. Além disso, a adição de B4C aumentou a dureza Vickers para 388 HV e o módulo de elasticidade de 66,57 GPa para 107,32 GPa. Os testes de desgaste indicaram maior resistência ao desgaste com a redução do tamanho da trilha, embora tenha sido observado um mecanismo abrasivo de terceiro corpo em concentrações mais altas. Outro ponto importante é sobre os ensaios in vitro que confirmaram que todas as amostras compósitas não foram citotóxicas, apresentando excelente viabilidade celular após 72 horas. Este estudo valida que o compósito Ti-15Nb + B4C é um material promissor para implantes ortopédicos resistentes ao desgaste, equilibrando bem as propriedades mecânicas, tribológicas e biológicas.

This work aims to develop novel Ti matrix composites (TMCs) to combine a low elastic modulus with high wear resistance for biomedical applications. Specifically, the Ti-15Nb alloy (wt%) was selected, and B4C at 1, 3, and 5 vol% was used during arc melting. The microstructural analysis confirmed the in-situ formation of TiC particles and TiB whiskers within the matrices, with both precipitates increasing in size and quantity as the B4C content increased. Furthermore, the addition of B4C increased the Vickers hardness up to 388 HV and the elastic modulus from 66.57 GPa to 107.32 GPa. Wear tests indicated improved wear resistance, as evidenced by reduced wear-track size, although a third-body abrasive mechanism was observed at higher concentrations. Another important point concerns the in vitro tests, which confirmed that all composite samples were non-cytotoxic and showed excellent cell viability after 72 hours. This study validates that the Ti-15Nb + B4C composite is a promising material for wearresistant orthopedic implants, successfully balancing mechanical, tribological, and biological properties.