Influência do oxigênio intersticial na estrutura, microestrutura, propriedades mecânicas e biocompatibilidade de ligas de Ti-25Ta, visando aplicações biomédicas - Saraiva, Edriely de Oliveira [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
Este estudo investigou detalhadamente a liga Ti-25Ta, focando na dopagem com oxigênio e seus efeitos nas propriedades estruturais e mecânicas, visando aplicações biomédicas. Foram analisados os impactos de diferentes tratamentos térmicos, como laminação e recozimento, no comportamento da liga. A análise de densidade mostrou que a fusão da liga foi eficiente, com valores próximos dos teóricos, indicando manutenção da estequiometria e ausência de contaminações significativas. Difratogramas de raios X revelaram a presença das fases α e α'', sendo a fase α mais pronunciada em amostras recozidas e a fase α'' predominante em amostras laminadas a quente, devido às altas temperaturas e taxas de deformação. O recozimento favoreceu a reorganização da microestrutura, resultando na predominância da fase α estável. Micrografias ópticas e de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostraram estruturas lamelares e agulhas típicas das fases α e α''. O recozimento produziu agulhas mais curtas e largas, com maior diversidade de orientações, enquanto a laminação a quente apresentou uma estrutura lamelar esbelta e orientada. O recozimento aumentou o volume da estrutura lamelar, alterando a morfologia das fases. O módulo de elasticidade foi reduzido após os processos de laminação e recozimento, beneficiando a compatibilidade com o tecido ósseo humano. A microdureza foi maior nas amostras brutas de fusão, devido à predominância da fase α'', aumentando ainda mais após a laminação devido às tensões induzidas, mas reduzindo com o recozimento, que aliviou as tensões internas. A dopagem com oxigênio alterou significativamente a microestrutura e as propriedades mecânicas da liga Ti-25Ta. Amostras dopadas apresentaram menor densidade em comparação com a liga recozida, um benefício para aplicações biomédicas, pois reduz o peso e a tensão no tecido circundante. A difração de raios X mostrou que o oxigênio estabiliza a fase α, com diferentes níveis de dopagem afetando a proporção das fases α e α''. Micrografias confirmaram que a dopagem influenciou a morfologia das agulhas lamelares. Os resultados demonstram que a liga Ti-25Ta é adequada para uso biomédico, com a dopagem de oxigênio impactando significativamente suas características microestruturais e mecânicas. A fusão eficiente e a ausência de contaminações são positivas, enquanto tratamentos térmicos e dopagem ajustam as propriedades da liga conforme necessário para diferentes aplicações. Entender os efeitos da dopagem com oxigênio é crucial para otimizar a performance da liga em implantes ortopédicos, minimizando o "stress shielding" e melhorando a integração com o tecido ósseo. Este estudo contribui para futuras investigações e aplicações da liga Ti-25Ta em contextos biomédicos avançados.

This study conducted a comprehensive investigation of the Ti-25Ta alloy, focusing specifically on oxygen doping and its effects on its structural and mechanical properties, aiming at biomedical contexts. The research examined how different heat treatment processes, such as rolling and annealing, influence the behavior of the alloy. Density analysis revealed that the alloy's melting was efficient, with experimental values close to theoretical ones, suggesting good stoichiometry maintenance and the absence of significant contamination. X-ray diffraction patterns showed the presence of α and α'' phases, with the α phase being more pronounced in annealed samples, while the α'' phase predominated in hot-rolled samples due to the high temperatures and deformation rates of the rolling process. Annealing favored the reorganization of the microstructure, leading to the predominance of the stable α phase. Optical and scanning electron microscopy (SEM) micrographs revealed lamellar structures and needles characteristic of the α and α'' phases. Annealing resulted in shorter, wider needles with a greater variety of orientations, while hot rolling showed a slender, oriented lamellar structure. Annealing increased the lamellar structure's volume, altering the phases' morphology. The elastic modulus was reduced after rolling and annealing, which is beneficial for compatibility with human bone tissue. Microhardness was higher in the as-cast samples due to the presence of the α'' phase. After rolling, hardness further increased due to the stresses and work hardening induced by the process. Annealing, in turn, reduced hardness by relieving the internal stresses accumulated during rolling. Oxygen doping significantly changed the microstructure and mechanical properties of the Ti- 25Ta alloy. Doped samples had lower density than the annealed alloy, which is advantageous for biomedical applications due to the reduced weight and stress on surrounding tissue. X-ray diffraction analysis revealed that oxygen stabilizes the α phase, with different doping levels affecting the proportion of α and α'' phases. Micrographs confirmed variations in needle morphology with different oxygen concentrations, highlighting the influence of doping on the microstructure. The results demonstrate that the Ti-25Ta alloy exhibits properties suitable for biomedical use, with oxygen doping significantly impacting the alloy's microstructural and mechanical characteristics. Efficient melting, stoichiometry maintenance, and the absence of contamination are positive aspects, while heat treatments and doping adjust the alloy's properties as needed for different applications. A detailed understanding of the effects of oxygen doping is essential for optimizing the alloy's performance in orthopedic implants, minimizing the effect of "stress shielding," and improving integration with bone tissue. This study opens new possibilities for applying the Ti-25Ta alloy in advanced biomedical contexts, providing a solid foundation for future investigations and developments in the field.
Influence of interstitial oxygen on the structure, microstructure, mechanical properties, and biocompatibility of Ti-25Ta alloys for biomedical applications
Keywords: Biomateriais; Ligas de Ti; Dopagem com oxigênio; Biomaterials; Ti Alloys; Oxygen doping