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Tipo do documento: Dissertação
Título: Produção, caracterização microestrutural e avaliação de propriedades de compressão e dureza de ligas Ti-Si-B com adição de Nb visando o desenvolvimento de biomateriais
Título(s) alternativo(s): Production, microstructural characterization and evaluation of compression and hardness properties of Ti-Si-B alloys with addition of Nb for biomaterial development
Autor: FERREIRA, Robson Leopoldino 
Primeiro orientador: RAMOS, Alfeu Saraiva
Primeiro coorientador: SILVA, Gilbert
Primeiro membro da banca: SANTOS, Claudinei dos
Segundo membro da banca: RODRIGUES, Geovani
Resumo: O titânio vem sendo amplamente utilizado como biomaterial, principalmente em aplicações ortopédicas e odontológicas, por apresentar uma relação atrativa de resistência mecânica/massa específica, resistência à corrosão e boas características de biocompatibilidade. Estudos recentes têm observado que as ligas compostas por Ti-Si-B, formadas pelas fases Ti+Ti6Si2B apresentam boas características de integração óssea e biocompatibilidade, que chegam a ser superiores às apresentadas pelo titânio puro e pela liga Ti-6Al-4V. Pelo fato de não possuírem alumínio em sua composição, essas ligas apresentam menor potencial de toxicidade (local e sistêmica) para aplicações em dispositivos implantáveis. Entretanto, informações sobre as propriedades mecânicas de ligas Ti-Si-B formadas por Ti6Si2B ainda são limitadas na literatura. Como a fase Ti6Si2B apresenta uma pequena região monofásica, a adição de pequenas quantidades outros elementos como Mo, Nb, Ta e Zr tem sido considerada em ligas Ti-Si-B, de forma a não comprometer sua estabilidade. Assim, este trabalho avalia o efeito da adição de 2 %-atômico de Nb na estabilidade da fase Ti6Si2B e nas propriedades mecânicas de compressão de ligas Ti-Si-B. Pós elementares foram utilizados para a preparação de ligas Ti-2Si-1B, Ti-6Si-3B , Ti-10Si-5B, Ti-2Nb-2Si-1B, Ti-2Nb-6Si-3B e Ti-2Nb-10Si-5B (%-atômica) através de moagem de alta energia (por 180 minutos) e subsequente spark plasma sintering (SPS) (1150°C, 15 min, 20 MPa). Para minimizar a ocorrência de mecanismos de soldagem a frio excessiva, foi usada a adição de 5%-massa de parafina vegetal, em relação à massa total de pós a ser processado por moagem de alta energia. As amostras moídas foram caracterizadas por técnicas de granulometria por difração a laser, análise térmica, difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Após a sinterização, as amostras foram avaliadas por DRX, MEV, espectrometria por energia dispersiva (EDS), ensaios de compressão e microdureza Vickers. Parafina vegetal, Ti-α e Si foram identificados nos difratogramas de raios X dos pós de Ti-Nb-Si-B preparados nesse trabalho. A adição de parafina vegetal foi eficiente para minimizar a aderência excessiva das partículas de pós dúcteis durante a moagem. Análises de granulometria por difração a laser dos materiais moídos indicaram que os valores de D10, D50 e D90 variaram entre 43,8-47,8μm; 65,7-85,5μm e 110,9-144,5μm para as misturas de pós de Ti-Si-B e entre 43,3-52,1μm; 67,9-88,9μm e 117,0-152,1μm para Ti-Nb-Si-B avaliadas nesse estudo, indicando que as amostras mais ricas em Si e B apresentaram maiores quantidades de partículas finas devido a maior tendência de ocorrência de mecanismos de fratura durante a moagem. As curvas de TG dos pós moídos indicaram a presença de picos endotérmicos em temperaturas entre 200 e 300°C, o que está relacionado com a decomposição da parafina vegetal durante aquecimento. Independente da adição de Nb, as análises de DRX, MEV e EDS das amostras sinterizadas indicaram a presença da fase Ti6Si2B, além de outras fases como Ti5Si3 e TiB, o que está relacionado com o tempo curto de sinterização adotado (15 min) que é necessário para a ocorrência de difusão atômica. Nestas amostras, foram também notadas regiões com ferro e carbono em sua composição, provenientes do vaso/esferas de moagem e da parafina vegetal, respectivamente. Como esperado, a intensidade dos picos da fase ternária aumentou em ligas mais ricas em Si e B. Os ensaios de compressão das ligas Ti-Si-B indicaram que os valores médios do módulo de elasticidade, tensão de escoamento, limite de resistência, tensão de ruptura, deformação total, resiliência e tenacidade do material variaram entre 21,9-24,4 GPa; 1068-1143 MPa; 1351-1641 MPa; 1234-1566 MPa; 1,18-2,05 mm; 35,5-39,2 J/m3 e 126,5-271,9 J/m3, respectivamente. Em ligas Ti-Nb-Si-B, esses valores ficaram entre 18,2-23,5 GPa; 800-1061 MPa; 957-1429 MPa; 869-1371 MPa; 1,02-2,12 mm; 29,6-37,3 J/m3 e 89,3-246,1 J/m3, respectivamente, indicando que a adição de Nb reduziu esses valores. As ligas Ti-Si-B apresentaram valores médios de microdureza Vickers entre 355,9 a 401,9 HV, enquanto que as ligas Ti-Nb-Si-B variaram de 324,9 a 390,4 HV. Como esperado, os valores de resistência mecânica à compressão e de microdureza Vickers foram aumentados para ligas mais ricas em Si e B devido a maior quantidade de Ti6Si2B presente na microestrutura das ligas.
Abstract: Titanium has been widely used as a biomaterial, especially in orthopedic and dental applications, as it has an attractive ratio of mechanical strength/specific mass, corrosion resistance and good biocompatibility characteristics. Recent studies have observed that Ti-Si-B alloys formed by Ti+Ti6Si2B phases have good bone integration and biocompatibility characteristics, which are superior to those presented by pure titanium and Ti-6Al-4V alloy. Because they do not have aluminum in their composition, these alloys have lower potential for toxicity (local and systemic) for implantable device applications. However, information about the mechanical properties of Ti-Si-B alloys formed by Ti6Si2B is still limited in the literature. As the Ti6Si2B phase has a small single phase region, the addition of small amounts other elements such as Mo, Nb, Ta and Zr has been considered in Ti-Si-B alloys, so as not to compromise their stability. Thus, this work evaluates the effect of 2%-atomic addition of Nb on Ti6Si2B phase stability and on the mechanical compression properties of Ti-Si-B alloys. Elemental powders were used for the preparation of Ti-2Si-1B, Ti-6Si-3B, Ti-10Si-5B, Ti-2Nb-2Si-1B, Ti-2Nb-6Si-3B and Ti-2Nb-10Si-5B alloys (%-atomic) by high energy milling (for 180 minutes) and subsequent spark plasma sintering (SPS) (1150°C, 15 min, 20 MPa). To minimize the occurrence of excessive cold welding mechanisms, the addition of 5% vegetable paraffin mass in relation to the total mass of powders to be processed by high energy grinding was used. The ground samples were characterized by laser diffraction, thermal analysis, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) techniques. After sintering, the samples were evaluated by XRD, SEM, dispersive energy spectrometry (EDS), compression tests and Vickers microhardness. Vegetable paraffin, Ti-α and Si were identified in the X-ray diffractograms of Ti-Nb-Si-B powders prepared in this work. The addition of vegetable paraffin was efficient to minimize excessive adhesion of ductile powder particles during grinding. Laser diffraction particle size analysis of the ground materials indicated that the values ​​of D10, D50 and D90 ranged from 43,8 to 47,8μm; 65,7-85,5μm and 110,9-144,5μm for Ti-Si-B powder mixtures and between 43,3-52,1μm; 67,9-88,9μm and 117,0-152,1μm for Ti-Nb-Si-B evaluated in this study, indicating that the samples richest in Si and B presented higher amounts of fine particles due to the higher tendency of occurrence of fracture mechanisms during grinding. TG curves of milled powders indicated the presence of endothermic peaks at temperatures between 200 and 300°C, which is related to the decomposition of vegetable paraffin during heating. Regardless of the addition of Nb, the XRD, SEM and EDS analyzes of the sintered samples indicated the presence of the Ti6Si2B phase, in addition to other phases such as Ti5Si3 and TiB, which is related to the short sintering time adopted (15 min), necessary for the occurrence of atomic diffusion. In these samples, regions with iron and carbon in their composition were also noted, coming from the milling vessel/spheres and the vegetable paraffin, respectively. As expected, the intensity of the ternary phase peaks increased in richer Si and B alloys. The Ti-Si-B alloy compression tests indicated that the mean values ​​of modulus of elasticity, yield stress, strength limit, stress rupture, total deformation, resilience and material toughness ranged from 21,9 to 24,4 GPa; 1068-1143 MPa; 1351-1641 MPa; 1234-1566 MPa; 1,18-2,05 mm; 35,5-39,2 J/m3 and 126,5-271,9 J/m3, respectively. In Ti-Nb-Si-B alloys, these values ​​were between 18,2-2,5 GPa; 800-1061 MPa; 957-1429 MPa; 869-1371 MPa; 1,02-2,12 mm; 29,6-37,3 J/m3 and 89,3-246,1 J/m3, respectively, indicating that the addition of Nb reduced these values. Ti-Si-B alloys showed average Vickers microhardness values ​​between 355,9 to 401,9 HV, while Ti-Nb-Si-B alloys ranged from 324,9 to 390,4 HV. As expected, Vickers mechanical compressive strength and microhardness values ​​were increased for Si and B rich alloys due to the higher amount of Ti6Si2B present in the microstructure of the alloys.
Palavras-chave: Ligas de titânio.
Sinterização.
Materiais biocompatíveis.
Área(s) do CNPq: METALURGIA FISICA::PROPRIEDADES MECANICAS DOS METAIS E LIGAS
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: FERREIRA, Robson Leopoldino. Produção, caracterização microestrutural e avaliação de propriedades de compressão e dureza de ligas Ti-Si-B com adição de Nb visando o desenvolvimento de biomateriais. 2019. 101 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, 2019.
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/1507
Data de defesa: 20-Dez-2019
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