Estudo de densificação, caracterização microestrutural e mecânica da liga Ti-6AI-4V obtida por moagem de pós e sinterização por corrente elétrica pulsada (SPS)

Abstract

Resumo: A liga de Titânio Ti-6Al-4V é um material muito utilizado em aplicações biomédicas devido à excelente resistência à corrosão, elevada relação resistência mecânica-peso e excelente biocompatibilidade. Nos últimos anos, pesquisas têm mostrado grande avanço no aumento tanto da resistência mecânica quanto da ductilidade do material, através da obtenção de uma microestrutura harmônica. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma microestrutura harmônica da liga Ti-6Al-4V produzida pela moagem mecânica e SPS de pós pré-ligados e atomizados à gás de Ti-6Al-4V. As partículas do pó possuem diâmetro inferior a 200 ?m e geometria esférica. O processo de moagem mecânica foi realizado num moinho de tipo planetário no qual foram otimizados os parâmetros de moagem. Ciclos de sinterização foram realizados a temperaturas compreendidas entre 600 e 1000°C, durante 10 minutos sob 50 MPa de pressão de compactação. As amostras sinterizadas apresentaram aproximadamente 5 mm de altura e 20 mm de diâmetro. As caracterizações das amostras foram realizadas através da análise de densidade por princípio de Arquimedes, dureza Vickers e Rockwell C, microestrutura por microscopia óptica (MO) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), análise das fases por Difração de Raios x e análise química por meio da técnica de Espectroscopia de Energia Dispersiva. Os resultados mostraram que é possível obter uma estrutura harmônica, semelhante à descrita na literatura utilizando pós-obtidos pelo Processo de Eletrodo Rotatório em Plasma. Altos valores de densificação foram alcançados (99,1 %) a menores temperaturas de sinterização (800°C) e a liga Ti-6Al-4V sintetizada via SPS apresentou maiores valores de dureza do que a liga Ti-6Al-4V comercial. A composição química dos elementos Titânio, Alumínio, Vanádio, Carbono, Oxigênio, Nitrogênio e Hidrogênio estão dentro dos limites estipulados pela norma ASTM B998-13. Dessa forma, o material estudado apresentou características e propriedades que permitiram a sua utilização como implante ortopédico.

Abstract:The Ti-6Al-4V material is a very well recognized titanium alloy established in the biomedical applications due to great corrosion resistance, high strength-to-weight ratio and excellent biocompatibility. In recent years, researches have shown great achievement on increasing both mechanical resistance and ductility by creating Ti-6Al-4V harmonic microstructure using Mechanical Ball Milling (MBM) and Spark Plasma Sintering (SPS) of Plasma Rotating Electrode Process (PREP) powders. This work reports the successful development of a Ti-6Al-4V harmonic microstructure produced by MBM and SPS of pre-alloyed Gas Atomized Powders (GAP). Ti-6Al-4V powder had particles with diameter under 200 ?m and spherical geometry since it was processed by gas atomization. The MBM process was carried out in a planetary type. Sintering cycles were carried out at temperatures between 600 and 1000 °C, dwell time of 10 minutes, 50 MPa of compaction pressure. Sintered samples size had 5 mm in height and 20 mm in diameter. The characterization of materials were performed by analysis of density by Archimedes principle, Vicker's and Rockwell C hardness and the microstructure analysis by Optical Microscopy (MO) and Scanning Electronic Microscopy (SEM), phase analysis by X-Ray Diffraction and chemical analysis by Energy Dispersive Spectroscopy. The results showed that is possible to obtain a harmonic structure, similar of the described in the literature using PREP powders. High densification values were obtained (99.1%) at low sintering temperature (800°C) and sintered Ti-6Al-4V showed higher hardness than commercial Ti-6Al-4V alloy. The chemical composition of the elements Titanium, Aluminum, Vanadium, Carbon, Oxygen, Nitrogen and Hydrogen are within the limits stipulated by the standardASTM B998-13. Thus, the material has properties and characteristics that enable their use as orthopedic implants.