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Tipo do documento: Dissertação
Título: Produção, caracterização microestrutural e avaliação das propriedades mecânicas de ligas de Ti-Si-B com adição de Zr para o desenvolvimento de implantes ortopédicos
Título(s) alternativo(s): Production, microstructural characterization and evaluation of the mechanical properties of Ti-Si-B alloys with the addition of Zr for the development of orthopedic implants
Autor: BERNARDO, Rafael da Silva 
Primeiro orientador: RAMOS, Alfeu Saraiva
Primeiro membro da banca: MALAFAIA, Artur Mariano de Sousa
Segundo membro da banca: SOUZA, Renato Chaves
Resumo: Componentes ortopédicos articulares devem apresentar altos valores de dureza, resistência à compressão, resistência ao desgaste, além de boas características de biocompatibilidade. As ligas de titânio convencionais são baseadas em soluções sólidas substitucionais. Implantes da liga 85Ti-10Si-5B com microestruturas de Ti+Ti6Si2B e produzida por fusão a arco e subsequente tratamento térmico indicaram superiores características de biocompatibilidade e de integração óssea do que o titânio comercialmente puro. As resistências à oxidação e à corrosão de ligas Ti+Ti5Si3 são melhoradas com a adição de zircônio. Nesse contexto, o presente trabalho visou avaliar o efeito da composição química na microestrutura e rota de processamento nas propriedades mecânicas de compressão de ligas com potencial para aplicações em próteses ortopédicas articulares. Assim, as ligas 95Ti-2Si-1B, 89Ti-6Si-3B, 83Ti-10Si-5B, 93Ti-2Si-1B, 87Ti-6Si-3B e 81Ti-10Si-5B contendo adição de Zr (2 e 4 %at.) respectivamente foram produzidas por moagem de alta energia e subsequente spark plasma sintering. Para minimizar a ocorrência de soldagem a frio excessiva durante a moagem, adicionou-se 5%-massa de parafina vegetal. As misturas de pós foram processadas em moinho de bolas planetário por 180 min, usando esferas de aço endurecido, 300 rpm e uma relação de massas esferas-pós de 10:1. Seguindo, os pós-moídos de Ti-Zr-Si-B foram consolidados por SPS, utilizando uma matriz de grafite, 1200oC e pressão de 20 MPa por 15 min. Os materiais moídos e os produtos sinterizados foram caracterizados por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, espectrometria dispersiva de energia, ensaios de compressão e ensaios de microdureza Vickers. Independente da mistura de pós moída, foram identificados picos intensos de Ti-alfa além de outros minoritários de Si e de parafina vegetal, indicando que uma homogeneização em nível atômico não foi atingida após moagem por 180 min. Ligas Ti-Zr-Si-B sinterizadas e avaliadas nesse estudo apresentaram matriz metálica (Ti-) e precipitados intermetálicos (silicetos e TiB), sendo que o Ti6Si2B foi formado na microestruturas de todas as ligas 95Ti-2Zr-2Si-1B, 89Ti-2Zr-6Si-3B, 83Ti-2Zr-10Si-5B, 93Ti-4Zr-2Si-1B, 87Ti-4Zr-6Si-3B e 81Ti-4Zr-10Si-5B. As ligas Ti-Zr-Si-B sinterizadas apresentaram valores de tensão de escoamento, módulo de elasticidade, limite de resistência à compressão e deformação normal total de 980-1165 MPa, 194,9 – 249,1 GPa, 1241-1523 MPa e 0,11-0,18 mm/mm, respectivamente. Também, notou-se uma tendência de aumento da resistência mecânica com o aumento da quantidade de Si e B na liga, devido a maior quantidade de precipitados intermetálicos. Seguindo a mesma tendência, as ligas Ti-Zr-Si-B sinterizadas apresentaram valores de microdureza Vickers de 338 HV (95Ti-2Zr-2Si-1B) até 436 HV (81Ti-4Zr-10Si-5B).
Abstract: Joint orthopedic components should present high hardness values, compressive strength, wear resistance, and good biocompatibility characteristics. Conventional titanium alloys are based on substitutional solid solutions. 85Ti-10Si-5B alloy implants with Ti+Ti6Si2B microstructures and produced by arc melting and subsequent heat treatment indicated superior characteristics of biocompatibility and bone integration than pure titanium. Oxidation and corrosion resistances of Ti+Ti5Si3 alloys are improved with the zirconium addition. In this context, the present study aimed to evaluate the effect of chemical composition and processing route on microstructure and their compression mechanical properties of potentially alloys for applications in joint orthopedic components. Thus, the 95Ti-2Si-1B, 89Ti-6Si-3B, 83Ti-10Si-5B, 93Ti-2Si-1B, 87Ti-6Si-3B e 81Ti-10Si-5B (%-at.) alloys containing the addition of Zr (2 and 4 %-at.) were produced by high energy milling and subsequent spark plasma sintering. To minimize the occurrence of excessive cold welding during milling, 5%-weight vegetable paraffine was added. The elemental powder were processed in planetary ball mill for 180 min, using hardened steel balls, 300 rpm and a 10:1 ball-to-powder mass ratio. Following, the Ti-Si-Zr-B were consolidated by SPS, using a graphite matrix, 1200 ºC and pressure of 20 MPa for 15 min. As-milled materials and sintered products were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, dispersive energy spectrometry, compression tests and Vickers microhard tests. Regardless of the mixture of as-milled powders, intense -Ti peaks were identified in addition to other minorities of Si and vegetable paraffine, indicating that an atomic level homogenization was not achieved after milling for 180 min. Sintered Ti-Zr-Si-B alloys evaluated in this study presented metallic matrix (-Ti) and intermetallic precipitates (silicides and TiB). The Ti6Si2B was formed in microstructures of 95Ti-2Zr-2Si-1B, 89Ti-2Zr-6Si-3B, 83Ti-2Zr-10Si-5B, 93Ti-4Zr-2Si-1B, 87Ti-4Zr-6Si-3B e 81Ti-4Zr-10Si-5B. alloys. The sintered Ti-Zr-Si-B alloys presented values of yield stress, elastic modulus, ultimate compression stress and total normal deformation of 980-1165 MPa, 194,9 – 249,1 GPa, 1241-1523 MPa and 0.11-0.18 mm/mm, respectively. Also, there was a trend of increased mechanical resistance with the increased Si and B amounts in the nominal alloy, due to the greater amounts of intermetallic precipitates in microstructures. Similarly, the sintered Ti-Zr-Si-B alloys presented the Vickers microhardness values from 338 HV (95Ti-2Zr-2Si-1B) to 436 HV (81Ti-4Zr-10Si-5B).
Palavras-chave: Materiais biocompatíveis.
Ligas de titânio.
Sinterização.
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal de Alfenas
Sigla da instituição: UNIFAL-MG
Departamento: Instituto de Ciência e Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Citação: BERNARDO, Rafael da Silva. Produção, caracterização microestrutural e avaliação das propriedades mecânicas de ligas de Ti-Si-B com adição de Zr para o desenvolvimento de implantes ortopédicos. 2020. 77 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, 2020.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: https://bdtd.unifal-mg.edu.br:8443/handle/tede/1740
Data de defesa: 14-Fev-2020
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