Desenvolvimento e caracterização de compósitos in-situ de matriz de Ti-Nb para aplicação biomédica
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Data
2023-08-23
Orientador
Lisboa-Filho, Paulo Noronha 
Coorientador
Pós-graduação
Ciência e Tecnologia de Materiais - FC
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
O aumento na expectativa de vida tem contribuído para o crescente uso de próteses ortopédicas de articulação, como próteses de quadril e de joelho. Neste contexto, as ligas de Ti-Nb do tipo β têm despertado amplo interesse devido à combinação de baixo módulo de elasticidade, elevada resistência à corrosão e adequada biocompatibilidade. No entanto, a baixa resistência ao desgaste dos materiais metálicos em geral continua sendo o desafio para o sucesso a longo prazo das próteses de articulação, pois a degradação do implante pode ser acelerada devido ao atrito que ocorre em meio corrosivo. Com o objetivo de superar essas limitações, o presente trabalho buscou desenvolver novos compósitos de matriz metálica à base de Ti-Nb, mantendo as vantagens oferecidas pelas ligas de Ti-Nb e aprimorando suas propriedades tribocorrosivas com a adição de reforço duro. A estratégia concentrou-se na sintetização da fase de reforço durante a fabricação do compósito, conhecida como produção in-situ, para garantir uma forte ligação entre a matriz e o reforço, essencial no comportamento durante o desgaste. Assim, diferentes condições de processamento e combinações de materiais foram investigadas para produzir os compósitos in-situ e alcançar as propriedades desejadas. Inicialmente, 5, 12,5 e 20 % em volume de pó de NbC foram misturados com pó de Ti puro e submetidos à sinterização por prensagem à quente. As três misturas permitiram a produção de compósitos in-situ, pois resultaram em reforço de Ti2C nas matrizes dos tipos α, α/β e β, respectivamente. No entanto, verificou-se que adições acima de 5 % de NbC levaram a uma maior tendência para a distribuição aglomerada do reforço, o que deve ser evitada. Então, com a fusão à arco voltaico, foi viabilizada a utilização da liga Ti-40Nb na produção de novos compósitos in-situ do tipo β. Assim, com a adição de 5% de NbC, a matriz β foi reforçada com partículas de TiC, enquanto a adição de 5% de NbB2 resultou em reforço de whiskers de TiB. Uma terceira condição foi viabilizada com a adição de 5 % de B4C, que permitiu a produção de matriz β com reforço híbrido de TiC e TiB. No geral, todos os compósitos alcançaram maiores níveis de resistência à tribocorrosão em comparação aos materiais metálicos sem reforço. Ao mesmo tempo, os três compósitos do tipo β produzidos via fusão apresentaram valores de módulo de elasticidade inferiores ao da liga de Ti comercial mais utilizada atualmente, a liga Ti-6Al-4V. Em particular, a matriz β reforçado com TiC alcançou o menor valor em torno de 73 GPa. Portanto, as novas alternativas apresentadas são extremamente promissoras para a confecção de próteses ortopédicas de articulação, oferecendo potenciais melhorias na durabilidade e desempenho dos implantes.
Resumo (inglês)
The increase in life expectancy has contributed to the growing use of orthopedic joint prostheses, such as hip and knee replacements. In this context, β-type Ti-Nb alloys have attracted considerable interest due to their combination of low elastic modulus, high corrosion resistance, and appropriate biocompatibility. However, the poor wear resistance of metallic materials, in general, remains a challenge for the long-term success of joint prostheses, as implant degradation can be accelerated due to friction occurring in a corrosive environment. With the aim of overcoming these limitations, the present study sought to develop new Ti-based metal matrix composites (TMCs), in order to maintain the advantages offered by Ti-Nb alloys and improve their tribocorrosion resistance through the addition of hard reinforcement. The strategy focused on synthesizing the reinforcement phase during composite fabrication, known as in-situ production, to achieve a strong bond between the matrix and the reinforcement, crucial for wear behavior. Thus, different processing conditions and material combinations were investigated to produce the in-situ TMCs and achieve the desired properties. Initially, 5, 12.5, and 20 volumes % of NbC powder were mixed with pure Ti powder and processed by hot pressing sintering. The three mixtures allowed the production of in-situ TMCs, summarized as Ti2C reinforcement in the matrices of the α, α/β, and β types, respectively. However, additions above 5% of NbC led to a higher tendency for agglomerated distribution of the reinforcement, which should be avoided. Subsequently, arc melting technique allowed to use Ti-40Nb alloy for the production of new in-situ β-type TMCs. With the addition of 5% NbC, the β matrix was reinforced with TiC particles, while the addition of 5% NbB2 resulted in TiB whiskers reinforcement. A third condition was enabled with the addition of 5% B4C, allowing the production of β-type TMC hybrid reinforced with TiC and TiB. In summary, all the produced TMCs exhibited significantly improved tribocorrosion resistance when compared to unreinforced metallic materials. At the same time, the three β-type TMCs produced via melting showed lower elastic modulus values than the most commonly used commercial Ti alloy, Ti-6Al-4V. In particular, the TiC-reinforced β-type TMC achieved the lowest value, around 73 GPa. Therefore, the new alternatives presented are extremely promising for the fabrication of orthopedic joint prostheses, offering potential improvements in implant durability and performance.
Descrição
Idioma
Português