Efeito do teor de Nb e Si na estabilidade de fase, microestrutura, propriedades mecânicas, tribológicas e eletroquímicas em ligas Ti-Nb-Si sinterizadas

Abstract

O uso de implantes ortopédicos e odontológicos é uma realidade que tem melhorado significativamente a qualidade de vida. Os implantes permanentes são geralmente feitos de titânio comercialmente puro (Ti-cp) ou da liga Ti-6Al-4V, os quais apresentam um módulo de elasticidade muito maior que o dos ossos. Isso pode levar ao fenômeno conhecido como stress shielding (proteção contra estresse), resultando em perda de densidade óssea ao redor do implante podendo resultar em afrouxamento do implante. Outro problema é que a liga Ti-6Al-4V utiliza elementos de liga potencialmente tóxicos. Para resolver o problema de rigidez, grupos de pesquisa em todo o mundo têm investigado materiais com módulo de elasticidade mais próximo ao dos ossos. Entre os materiais propostos, as ligas metaestáveis de fase ß de titânio demonstram menor módulo de elasticidade em comparação com ligas a (como o Ti-cp) ou ligas a/ß (como a Ti-6Al-4V). Contudo, muitos elementos de liga usados para estabilizar a fase ß podem reduzir propriedades mecânicas como limite de escoamento, tensão máxima e dureza. Neste trabalho, duas ligas foram propostas utilizando Nb e Si como elementos de liga, ambos com caráter estabilizador da fase ß. Além disso, o Si apresenta o potencial de formar precipitados ricos em silício, que podem melhorar a resistência mecânica. O sistema Ti-Nb-Si também é biocompatível, de acordo com a literatura. Para desenvolver as ligas e definir as composições químicas a serem testadas, foram utilizados diagramas pseudobinários gerados pelo software Thermo-Calc® e cálculos de parâmetros de estabilidade da liga, como (Bo) ¯- (Md) ¯. A técnica de metalurgia do pó foi escolhida por sua economia de material e pelo controle fino das propriedades do material. Para reter o maior teor possível de ß e promover a formação de precipitados ricos em Si, aqueceu-se as amostras a 850 °C por 1h, seguido por um resfriamento rápido. A análise por difração de raios X revelou que as ligas produzidas apresentavam cerca de 90% de fase ß, sem a presença detectável de precipitados ricos em Si em ligas com 0,10% em peso de Si. O menor módulo de elasticidade registrado foi de 54,4 ± 3,1 GPa para a liga Ti0,10Si45Nb, valor muito inferior aos 110 GPa do Ti-6Al-4V. Entretanto, a estabilização da fase ß por altos teores de Nb resultou em uma perda de resistência mecânica, com um limite de escoamento de 241 ± 14 MPa para a liga Ti0,10Si45Nb, significativamente menor que o limite do Ti-6Al-4V (895 MPa).

Abstract: The use of orthopedic and dental implants is a reality that has significantly improved quality of life. Permanent implants are generally made of commercially pure titanium (Ti-cp) or the Ti-6Al-4V alloy, which have an elastic modulus much higher than that of bones. This can lead to the phenomenon known as stress shielding, resulting in implant loss. Another issue is that the Ti-6Al-4V alloy contains potentially toxic alloying elements. To address the stiffness problem, research groups worldwide have been investigating materials with an elastic modulus closer to that of bones. Among the proposed materials, metastable ß-phase titanium alloys exhibit a lower elastic modulus compared to a alloys (such as Ti-cp) or a/ß alloys (such as Ti-6Al-4V). However, many alloying elements used to stabilize the ß-phase can reduce mechanical properties such as yield strength, ultimate tensile strength, and hardness. In this study, two alloys were proposed using Nb and Si as alloying elements, both with ß-phase stabilizing characteristics. Additionally, Si has the potential to form silicon-rich precipitates, which can enhance mechanical strength. The Ti-Nb-Si system is also biocompatible, according to the literature. To develop the alloys and define the chemical compositions to be tested, pseudobinary phase diagrams generated by the Thermo-Calc® software and calculations of alloy stability parameters, such as (Bo)¯ - (Md)¯, were used. The powder metallurgy technique was chosen due to its material efficiency and fine control over material properties. Since the pseudobinary diagrams predicted a predominantly a-phase alloy at room temperature, a heat treaRMent was required after sintering. This treaRMent involved heating the samples to 850°C to promote the formation of Si-rich precipitates, followed by rapid cooling to retain as much ß-phase as possible. X-ray diffraction analysis revealed that the produced alloys contained approximately 90% ß-phase, with no detectable Si-rich precipitates in alloys with 0.10 wt% Si. The lowest recorded elastic modulus was 54.4 ± 3.1 GPa for the Ti0.10Si45Nb alloy, significantly lower than the 110 GPa of Ti-6Al-4V. However, ß-phase stabilization due to high Nb content resulted in a loss of mechanical strength, with a yield strength of 241 ± 14 MPa for the Ti0.10Si45Nb alloy, significantly lower than the 895 MPa yield strength of Ti-6Al-4V.