Desenvolvimento e caracterização de ligas do sistema Ti-20Ta-xNb visando aplicações Biomédicas - Silva, Marcia Almeida de Amaral Arcos (UNESP) [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
Nas últimas décadas a busca por biomateriais que consigam atender os requisitos de projetos a fim de melhorar o desempenho em implantes tornou se tema de grande importância nas academias. Estudos recentes mostram o crescimento de implantes em pacientes de todas as idades e muitos destes procedimentos são realizados utilizando ligas metálicas, das quais muitas são ligas à base de titânio. A classe de ligas do sistema Ti atrai a atenção de pesquisadores, isto devido as ótimas propriedades que o titânio possui como baixa relação densidade/propriedade mecânica, baixo valor de módulo de elasticidade, boa resistência à corrosão em fluidos corpóreos e boa biocompatibilidade. Estudos mostram que estas propriedades se apresentam com adições de ligas levando a formação de microestrutura a qual apresenta diferentes fases, sendo que também podemos modificar a estrutura utilizando diferentes tratamentos térmicos ressaltando as propriedades mecânicas do material. O Brasil apresenta reservas de Ta e Nb, especialmente no Estado do Amazonas. Diante do crescente interesse por esses minerais, é necessário desenvolver tecnologias para agregar valores às reservas e também buscar o desenvolvimento tecnológico regional. O objetivo deste trabalho é desenvolver quatro ligas do sistema Ti, nas seguintes composições: Ti-20Ta, Ti-20Ta-10Nb, Ti-20Ta-20Nb e Ti-20Ta-30Nb. Após fundição das quatro ligas as mesmas foram tratadas termicamente pelo processo de homogeneização e após este primeiro tratamento térmico foram laminadas e após a laminação foram submetidas ao segundo tratamento térmico de recozimento. Em cada condição de tratamento as ligas foram analisadas. Nas ligas brutas de fusão foram realizadas as seguintes análises: química, térmica, mecânica, estrutural e microestrutural. Foi realizado também um estudo da teoria do orbital molecular e foi também feito um estudo para verificar as temperaturas de transformação de fase de equilíbrio, para isso foi usado o software THERMOCALCTC. Nas ligas homogeneizadas (primeiro tratamento térmico) foram realizadas as seguintes análises: mecânica e estrutural e microestrutural. As ligas laminadas foram realizadas as análises: mecânica, estrutural e microestrutural, para o recozimento (segundo tratamento térmico) foi realizada as análises: mecânica, estrutural, microestrutural e teste de biocompatibilidade. E para realização das análises das ligas em questão foram utilizadas as seguintes técnicas: Espectrometria de Fluorescência de raios X (FRX), Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS), DSC, medidas de densidade, microdureza Vickers, difração de raios X, microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, módulo de elasticidade e análise de biocompatibilidade. Os resultados mostraram os efeitos das composições das ligas brutas Ti-20Ta, Ti-20Ta-10Nb, Ti-20Ta-20Nb e Ti-20Ta-30Nb, os resultados teóricos e experimentais de densidades demonstraram valores bem próximos e observou que com aumento na porcentagem de nióbio aumentou sensivelmente a densidade das amostras. As medidas de difração de raios X mostraram as seguintes fases: α, α’, α” e β. Além disso, as medidas de difração de raios X revelaram que, ao aumentarmos a porcentagem de nióbio, também aumentou a presença da fase β, o que demonstra que o nióbio tem características beta-estabilizador. As micrografias obtidas por meio de microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura permitem ver com clareza a formação das microestruturas presentes em algumas amostras. Quanto aos valores de dureza, a composição que apresentou maior valor de dureza foi a liga Ti-20Ta (bruta) (312HV), sendo que a liga não apresentou nióbio em sua composição. As ligas com maior teor de nióbio, ou seja, as ligas Ti-20Ta-30Nb (bruta), Ti-20Ta-30Nb (homogeneizada), Ti-20Ta-30Nb (laminada) apresentaram menores valores de durezas (215, 217, 207HV) respectivamente. O teste de biocompatibilidade mostrou que as ligas não apresentaram efeitos prejudiciais ou tóxicos às células.

In recent decades, the search for biomaterials that can meet project requirements in order to improve implant performance has become a topic of great importance in gyms. Recent studies show the growth of implants in patients of all ages and many of these procedures are performed using metal alloys, many of which are titanium-based alloys. The class of Ti system alloys attracts the attention of researchers, due to the excellent properties that titanium has, such as low density/mechanical property ratio, low elastic modulus value, good resistance to corrosion in bodily fluids and good biocompatibility. Studies show that these properties are presented with the addition of alloys, leading to the formation of a microstructure which presents different phases, and we can also modify the structure using different heat treatments, highlighting the mechanical properties of the material. Brazil has reserves of Ta and Nb, especially in the State of Amazonas. Given the growing interest in these minerals, it is necessary to develop technologies to add value to reserves and also seek regional technological development. The objective of this work is to develop four alloys of the Ti system, in the following compositions: Ti-20Ta, Ti-20Ta-10Nb, Ti-20Ta-20Nb and Ti-20Ta-30Nb. After casting the four alloys, they were heat treated by the homogenization process and after this first heat treatment they were rolled and after rolling they were subjected to the second annealing heat treatment. In each treatment condition the alloys were analyzed. The following analyzes were carried out on the raw fusion alloys: chemical, thermal, mechanical, structural and microstructural. A study of the molecular orbital theory was also carried out and a study was also carried out to verify the equilibrium phase transformation temperatures, for this the THERMOCALCTC software was used. The following analyzes were carried out on the homogenized alloys (first heat treatment): mechanical, structural and microstructural. Analyzes were carried out on the rolled alloys: mechanical, structural and microstructural, for annealing (second heat treatment) analyzes were carried out: mechanical, structural, microstructural and biocompatibility test. And to carry out the analyzes of the alloys in question, the following techniques were used: X-ray Fluorescence Spectrometry (FRX), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), DSC, density measurements, Vickers microhardness, X-ray diffraction, optical microscopy, scanning electron microscopy, elastic modulus and biocompatibility analysis. The results showed the effects of the compositions of the raw alloys Ti-20Ta, Ti-20Ta-10Nb, Ti-20Ta-20Nb and Ti-20Ta-30Nb, the theoretical and experimental results of densities demonstrated very close values and observed that with an increase in the percentage of niobium significantly increased the density of the samples. X-ray diffraction measurements showed the following phases: α, α’, α” and β. Furthermore, X-ray diffraction measurements revealed that, as we increased the percentage of niobium, the presence of the β phase also increased, which demonstrates that niobium has beta-stabilizing characteristics. The micrographs obtained using an optical microscope and scanning electron microscope allow us to clearly see the formation of the microstructures present in some samples. Regarding hardness values, the composition that presented the highest hardness value was the Ti-20Ta (raw) alloy (312HV), and the alloy did not contain niobium in its composition. The alloys with the highest niobium content, that is, the alloys Ti-20Ta-30Nb (raw), Ti-20Ta-30Nb (homogenized), Ti-20Ta-30Nb (rolled) presented lower hardness values (215, 217, 207HV ) respectively. The biocompatibility test showed that the alloys did not present harmful or toxic effects to cells.
Development and characterization of Ti-20Ta-xNb system alloys aiming at Biomedical applications
Keywords: Biocompatibilidade; Tântalo; Nióbio; Módulo de elasticidade; Biocompatibility; Tantalum; Niobium; Modulus of elasticity