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Tipo do documento: Dissertação
Título: Estudo da resistência ao desgaste de novas ligas de titânio visando aplicações ortopédicas
Título(s) alternativo(s): Study of the use of new titanium alloys for orthopedic applications
Autor: ALVES, Letícia Oliveira 
Primeiro orientador: RAMOS, Erika Coaglia Trindade
Primeiro coorientador: MAZZER, Eric Marchezini
Primeiro membro da banca: MOTA, Marilsa Aparecida
Segundo membro da banca: RODRIGUES, Geovani
Resumo: O titânio e suas ligas têm mostrado importante aplicação no setor biomédico por apresentarem excelentes e combinadas propriedades tais como elevada relação resistência/massa específica, baixo módulo de elasticidade, elevada resistência à corrosão em ambientes corpóreo e salino e alta biocompatibilidade. Entretanto, a liga Ti-6Al-V, amplamente utilizada nesse setor, apresenta problemas de resistência ao desgaste e liberação de íons tóxicos. Nesse sentido, ligas do sistema Ti-Si-B têm se demonstrado como alternativa por serem compostas por elementos naturalmente presentes na composição óssea e portanto, apresentarem superior biocompatibilidade. Em particular, a fase ternária Ti6Si2B desse sistema, possui elevada resistência à corrosão, potencial resistência quando submetida a condições de desgaste e mantem-se estável quando há o acréscimo de zircônio em até 7% atômico. O objetivo desse estudo foi verificar o comportamento tribológico de novas ligas de titânio para aplicações ortopédicas. Lingotes das ligas Ti-6Zr-2Si-1B, Ti-6Zr-6Si-3B e Ti-6Zr-10Si-5B foram produzidas via fusão a arco e posteriormente tratadas a 1100°C por 20 horas. Para obtenção de informações microestruturais, amostras das ligas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura e espectrometria de dispersão de energia (MEV/EDS), difração de raios X (DRX) e microscopia de força atômica (MFA). A caracterização mecânica foi realizada através de ensaio de microdureza Vickers e ensaio de desgaste no modo de movimento oscilatório em meio seco e lubrificado. Em todas as ligas foi observada a presença das fases TiB, Ti3Si e Tiss e, portanto, com a rota de processamento adotada, não foi possível observar a formação da fase Ti6Si2B. Os resultados indicaram ainda que o zircônio foi preferencialmente dissolvido nas fases Ti3Si e Tiss. Os processos de lixamento e polimento proporcionaram superfícies homogêneas para todas as amostras de modo que a rugosidade média foi inferior a 0,8μm, conforme preconizado. Os valores médios de microdureza ficaram entre 272,2 e 397,8 HV, valores que se mostraram crescente, como esperado, com o aumento dos metalóides Si e B. A liga Ti-6Zr-10Si-5B apresentou o maior coeficiente de atrito na condição seca, onde foi observada relação direta com a microdureza, enquanto que na condição lubrificada, apesar de a liga Ti-6Zr-10Si-5B continuar apresentando o maior coeficiente de atrito, não foi observada a mesma relação com a microdureza. Em relação a perda de volume por desgaste, na condição seca a liga Ti-6Zr-2Si-B apresentou os maiores valores enquanto na condição lubrificada a maior perda foi observada na liga Ti-6Zr-10Si-5B. Os mecanismos de desgaste em todas as ligas em condição seca foram abrasivos, ao passo que em condição lubrificada, foram detectadas desgaste abrasivo, adesivo e corrosivo, sendo este mais evidente na liga Ti-6Zr-10Si-5B.
Abstract: Titanium and its alloys have shown important application in the biomedical sector because they present excellent and combined properties such as high specific strength/mass ratio, low modulus of elasticity, high corrosion resistance in body and saline environments and high biocompatibility. However, the Ti-6Al-V alloy, widely used in this sector, presents problems of resistance to wear and release of toxic ions. In this sense, alloys of the Ti-Si-B system have been shown as an alternative because they are composed of naturally occurring elements in the bone composition and, therefore, have superior biocompatibility. In particular, the ternary Ti6Si2B phase of this system has high corrosion resistance, potential resistance when subjected to wear conditions and remains stable when there is an increase of zirconium up to 7% atomic. The objective of this study was to verify the tribological behavior of new titanium alloys for orthopedic applications. Ingots of the Ti-6Zr-2Si-1B, Ti-6Zr-6Si-3B and Ti-6Zr-10Si-5B alloys were produced by arc fusion and then treated at 1100 ° C for 20 hours. To obtain microstructural information, samples of the alloys were characterized by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry (SEM/EDS), X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM). The mechanical characterization was performed by Vickers microhardness test and wear test in oscillatory movement mode in dry and lubricated environment. In all the alloys the presence of TiB, Ti3Si and Tiss phases was observed, and therefore, with the adopted processing route, it was not possible to observe the Ti6Si2B phase formation. The results also indicated that zirconium was preferentially dissolved in Ti3Si and Tiss phases. The sanding and polishing processes provided homogeneous surfaces for all samples so that the average roughness was less than 0.8μm, as recommended. The average values of microhardness were between 272.2 and 397.8 HV, values that showed to be increasing, as expected, with the increase of the Si and B metalloids. The Ti-6Zr-10Si-5B alloy presented the highest coefficient of friction at in the lubricated condition, although the Ti-6Zr-10Si-5B alloy continues to have the highest coefficient of friction, the same relation with the microhardness was not observed. The Ti-6Zr-2Si-B alloy showed the highest values of Ti-6Zr-10 Si-5B in the dry condition, while in the lubricated condition the highest loss was observed in Ti-6Zr-10Si-5B alloy. The wear mechanisms in all alloys in dry condition were abrasive, whereas in the lubricated condition, abrasive, adhesive and corrosive wear were detected, which is more evident in the Ti-6Zr-10Si-5B alloy.
Palavras-chave: Ligas de titânio.
Resistência de materiais.
Desgaste mecânico.
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: ALVES, Letícia Oliveira. Estudo da resistência ao desgaste de novas ligas de titânio visando aplicações ortopédicas. 2019. 96 f. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, MG, 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/1849
Data de defesa: 26-Fev-2019
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