Avaliação da resistência à corrosão, mecânica e tribológica da liga Zn-1%Mg-1%Cu obtida por solidificação em regime transiente de transferência de calor

Abstract

Ligas à base de zinco têm se consolidado como candidatas promissoras para o desenvolvimento de biomateriais metálicos biodegradáveis, especialmente em aplicações que requerem compatibilidade mecânica, controle da taxa de corrosão e biocompatibilidade. Nesse contexto, o sistema Zn-Mg destaca-se pela capacidade de combinar refinamento microestrutural, resistência mecânica superior e degradação controlada em meio fisiológico. A adição de pequenas quantidades de cobre pode modificar significativamente o desempenho das ligas Zn-Mg, influenciando a resistência mecânica, a resistência à corrosão e a resposta biológica. Quando utilizado em concentrações controladas, o Cu pode contribuir para o aumento da resistência mecânica e favorecer a atividade antibacteriana, desde que não comprometa o comportamento de degradação da liga. Teores de Cu entre aproximadamente 1% à 5% em massa têm sido associados a eficiências antibacterianas elevadas, na faixa de 90% a 95%. A avaliação integrada da microestrutura, da resistência ao desgaste e do comportamento eletroquímico torna-se, portanto, essencial para determinar a viabilidade de ligas Zn-1%Mg-1%Cu como biomaterial reabsorvível. Esta pesquisa teve como foco principal produzir e caracterizar a liga Zn-1%Mg contendo 1% de Cu, investigando o efeito do cobre sobre a microestrutura, propriedades mecânicas, resistência ao desgaste e comportamento corrosivo. Buscou-se identificar a combinação ideal de parâmetros de processamento e arranjo microestrutural, com vistas a maximizar o desempenho global da liga e permitir avaliar sua adequação para aplicações biomédicas. As amostras foram obtidas por solidificação unidirecional, com resfriamento ascendente, uma técnica que permite correlacionar os parâmetros térmicos de solidificação às variações microestruturais ao longo do lingote. Essa metodologia mostrou-se particularmente eficaz para correlacionar a taxa de resfriamento com a formação de fases interdendríticas, o tamanho de grão e a heterogeneidade química. A caracterização microestrutural foi realizada por meio de microscopia ótica e eletrônica (associada à espectroscopia de energia dispersiva) e difração de raios X, permitindo identificar morfologias dendríticas, fases secundárias e a influência do gradiente térmico na segregação de elementos. Foram conduzidos ensaios de desgaste a seco por movimento alternado, bem como análises eletroquímicas por espectroscopia de impedância eletroquímica e polarização linear, com o intuito de avaliar como variações microestruturais afetam a degradação mecânica e eletroquímica em condições que simulam o ambiente fisiológico. Os resultados indicaram que a solidificação unidirecional promoveu microestruturas significativamente distintas ao longo do lingote, o que se refletiu diretamente no comportamento tribológico e corrosivo. Regiões solidificadas sob maiores taxas de resfriamento apresentaram microestruturas mais refinadas e maior resistência à corrosão, enquanto áreas formadas sob resfriamento mais lento exibiram maior suscetibilidade à corrosão e ao desgaste. Verificou-se que elevada taxa de resfriamento de aproximadamente 22,8 K/s promoveu uma microestrutura altamente refinada com espaçamento dendrítico secundário de 6,8 µm, o que garantiu ao material máxima resistência mecânica e superior resistência à corrosão inicial em meio fisiológico. Nos ensaios eletroquímicos em solução PBS (Phosphate-Buffered Saline - Fosfato Tamponado Salino), as regiões com microestrutura refinada apresentaram maior impedância e menores densidades de corrente, indicando melhor resistência à corrosão e degradação mais controlada, embora a presença de cobre tenha favorecido mecanismos de corrosão localizada em condições de equilíbrio. Nos ensaios de desgaste a seco, a liga ternária apresentou menor coeficiente de atrito, menor perda de massa e menor taxa de desgaste em comparação à liga Zn-1%Mg, evidenciando maior resistência ao desgaste. Os mecanismos predominantes foram abrasão, adesão localizada e tribo-oxidação. De modo geral, os resultados demonstram que a liga Zn-1%Mg-1%Cu possui potencial para aplicação como biomaterial metálico biorreabsorvível, especialmente em scaffolds ortopédicos, devido à combinação entre elevada resistência mecânica, boa resistência ao desgaste e comportamento corrosivo compatível com processos de degradação controlada em ambiente fisiológico.

Zinc-based alloys have emerged as promising candidates for the development of degradable metallic biomaterials, particularly in applications that require mechanical compatibility, controlled corrosion rates, and biocompatibility. Within this context, the Zn-Mg system stands out due to its ability to combine microstructural refinement, enhanced mechanical strength, and controlled degradation in physiological environments. The incorporation of small amounts of copper can further improve the performance of these alloys by influencing mechanical strength, corrosion behavior, and potentially the biological response, provided that the Cu content remains within safe limits. An integrated evaluation of the microstructure, wear resistance, and electrochemical behavior is therefore essential to determine the viability of the alloy as a resorbable biomaterial. This study aims to produce and characterize the Zn-1%Mg alloy containing 1% Cu, investigating the effect of copper on the microstructure, mechanical properties, wear resistance, and corrosion behavior. The goal is to identify the optimal combination of alloy composition, processing parameters, and microstructural arrangement that maximizes overall performance and supports its suitability for biomedical applications. The samples were produced by upward unidirectional solidification, a technique that enables the correlation of thermal solidification parameters with microstructural variations along the length of the ingot. This method is particularly effective for relating cooling rates to the formation of interdendritic phases, grain size, and chemical heterogeneity. Microstructural characterization was conducted using optical and electron microscopy (combined with energy-dispersive spectroscopy) and X-ray diffraction, allowing the identification of dendritic morphologies, secondary phases, and the influence of thermal gradients on elemental segregation. Dry reciprocating wear tests and electrochemical analyses, including electrochemical impedance spectroscopy and linear polarization, were performed to assess how microstructural variations influence mechanical and electrochemical degradation under simulated physiological conditions. The results indicated that unidirectional solidification produced markedly distinct microstructures along the ingot, which directly affected both tribological and corrosive behavior. Regions solidified under higher cooling rates exhibited refined microstructures and improved corrosion resistance, whereas areas subjected to slower cooling showed increased susceptibility to corrosion and wear. In electrochemical tests conducted in PBS solution, regions with a refined microstructure exhibited higher impedance values and lower current densities, indicating improved corrosion resistance and more controlled degradation behavior. However, the presence of copper promoted localized corrosion mechanisms under near-equilibrium conditions. In dry wear tests, the ternary alloy showed a lower coefficient of friction (COF), reduced mass loss, and lower wear rates compared to the Zn-1%Mg alloy, demonstrating enhanced wear resistance. The predominant wear mechanisms were abrasion, localized adhesion, and tribo-oxidation. Overall, the results demonstrate that the Zn-1%Mg-1%Cu alloy has significant potential as a bioabsorbable metallic biomaterial, particularly for orthopedic scaffolds, due to its combination of high mechanical strength, improved wear resistance, and corrosion behavior compatible with controlled degradation processes in physiological environments.