Caracterização mecânica e de tribocorrosão de superfícies nanoestruturadas obtidas em superfícies de ligas Ti-Nb por oxidação anódica

Abstract

Resumo: O Ti e suas ligas são utilizados para substituir tecidos duros devido à sua biocompatibilidade, resistência à corrosão e propriedades mecânicas adequadas. Porém, estes metais apresentam baixo desempenho sob desgaste, alto coeficiente de atrito e elevado módulo de elasticidade restringindo as aplicações biomédica. Além disso, resíduos de desgaste podem causar reações inflamatórias que causam dor e podem levar a perda do implante por osteólise. Para substituir esses materiais, novas ligas de Ti compostas por elementos não tóxicos, como Nb, Ta, Mo, têm sido propostas, as quais são resistentes à corrosão e possuem propriedades mecânicas adequadas para aplicações em biomateriais. Nanotubos crescidos sobre o Ti e suas ligas podem melhorar a biocompatibilidade, a molhabilidade e a resistência à corrosão quando comparados a materiais não tratados. No entanto, a baixa adesão de nanotubos ao substrato limita sua utilização biomédica. Os objetivos deste trabalho foram estudar as propriedades mecânicas e de tribocorrosão de novas ligas de Ti e de filmes nanoestruturados crescidos sobre ligas contendo Nb. As ligas Ti-10Nb e Ti-35Nb são compostas pelas fases alfa (hcp) e beta (bcc). Os resultados obtidos por indentação instrumentada mostraram que a adição de elemento beta estabilizador nas ligas Ti-Nb diminui os valores do módulo de elásticidade e aumenta os valores de dureza de ambas as ligas, comparando com o Ti. Testes de resistência ao risco mostraram que o Ti e a liga Ti-10Nb têm um comportamento mecânico similar, e que a predominância de fase ? na liga Ti-35Nb afetou o comportamento plástico e elástico. Durante o deslizamento, ns ensaios de tribocorrosão as ligas de Ti-Nb apresentaram maior resistência à corrosão do que o Ti. Os coeficientes de atrito obtidos foram 0,56, 0,49, 0,90, para Ti, Ti-10Nb e Ti-35Nb, respectivamente. O Ti e a liga Ti-10Nb apresentaram uma taxa de desgaste semelhante (~ 0,60. 10-3 mm3/ N.m) e a liga Ti-35Nb apresentou a maior taxa de desgaste (~ 1,39. 10-3 mm3/ N.m). A análise morfológica das trilhas de desgaste revelaram um comportamento de desgaste abrasivo, adesivo e oxidativo em todas as amostras. A fase beta foi responsável pelo desgaste por adesão e pela maior taxa de desgaste da liga Ti-35Nb. Na liga Ti-10Nb foram crescidas matrizes auto-organizadas de nanotubos na fase alfa e lamelas na fase beta, formando um filme amorfo; após recozimento a 230 °C. Nanotubos auto-organizados foram crescidos na liga de Ti-35Nb compostos por uma mistura de fases cristalinas de TiO2 e Nb2O5; após recozimento a 530 °C. Os íons de fósforo incorporados nas camadas anódicas e as suas estruturas porosas tornou as superfícies hidrofílicas. A morfologia porosa dos filmes contribuiu para valores de dureza e módulo de elasticidade muito baixos. O filme crescido em liga de Ti-10Nb foi removido do substrato durante os testes de nanorisco e de tribocorrosão devido à baixa cristalinidade e baixa adesão. A camada de óxido compacto entre o substrato e os nanotubos promoveu a adesão dos nanotubos na liga Ti-35Nb. os quais foram compactados na superfície após testes mecânicos. Seu bom desempenho de tribocorrosão foi devido ao efeito lubrificante proporcionado pelo filme de nanotubos de óxido crescidos sobre a liga Ti-35Nb, que apresentou a menor taxa de desgaste [(0,052 ± 0,004) · 10?3 mm3 / N.m]. Assim, a liga Ti-10Nb não tratada e a liga Ti-35Nb anodizada são mais adequados que o Ti, em relação às propriedades mecânicas, para uso em implantes ósseos. Palavras-chave: Tribocorrosão. Propriedades Mecânicas. Nanotubos. Anodização.

Abstract: Ti and Ti-6Al-4V alloy are widely used to replace hard tissues due to their higher biocompatibility, corrosion resistance and suitable mechanical properties. Although, these metals have a poor wear performance, higher coefficient of friction and elastic modulus that restrict to the applications in the biomedical area. Besides, wear debris can result in inflammatory reactions that cause pain and the loss of implants by osteolysis. In order to replace these materials, new beta alloys composed by non-toxic elements, as Nb, Ta, Mo, have been proposed, which are corrosion resistant and have mechanical properties suitable for biomaterials applications. Nanotubes grown on titanium and its alloys can improve biocompatibility, surface wettability and corrosion resistance when compared to untreated materials. However, the poor adhesion of nanotubes on substrate limit it use for biomedical area. The aims of this work were studied the tribocorrosion and mechanical properties of new Ti alloys and of nanostructured films grown on them. The Ti-10Nb and Ti-35Nb alloys are composed by alpha (hcp) and beta (bcc) phases. The results obtained by instrumented indentation technique showed that the addition of beta stabilizer elements in alloys decreases the elastic modulus values and increase the hardness values of both alloys, comparing to cp-Ti. Nanoscratch tests showed that Ti and Ti-10Nb alloy had a similar mechanical behavior, whereas high amount of ? phase in the Ti-35Nb affected the plastic and elastic behavior. The results of tribocorrosion showed that, during the sliding, the Ti-Nb alloys were more resistance to corrosion than pure Ti. The coefficient of friction obtained were 0.56, 0.49, 0.90, to Ti, Ti-10Nb and Ti-35Nb, respectively. Ti and Ti-10Nb alloy showed a similar wear rate (~0.60. 10-3 mm3/N.m) and Ti-35Nb alloy disclosed the highest wear rate (~1.39. 10-3 mm3/N.m). The images of worn tracks revealed abrasive, adhesive and oxidative wear for all samples. However, the presence of beta phase was responsible for the strongest adhesion wear and the highest wear rate of the Ti-35Nb alloy. On Ti-10Nb alloy was grew a self-organized nanotube arrays on the alpha phase and walls with transversal holes on beta phase, forming an amorphous film with 1.5 ? m thick after annealed at 230 °C. Whereas a self-organized nanotubes were obtained on Ti-35Nb alloy with approximately 2.0 ?m thick; their composition was a TiO2 and Nb2O5 crystalline phases mixture after annealed at 530 °C. The presence of phosphorus ions incorporated into the anodic layers makes the surfaces hydrophilic. The porous structure of nanostructured films contributed to very low hardness and elastic modulus. The film grown on Ti-10Nb alloy was removed of substrate during the nanoscratch and tribocorrosion tests due to it low crystallinity and poor adhesion. Whereas, a compact oxide grew between substrate and nanotubes, which promoted the adhesion of nanotubes on Ti-35Nb alloy. Therefore, it were compacted on the surface after mechanical tests, so; the outer part of the film was damaged. Its tribocorrosion performance was enhanced through a lubricating effect provided by oxide nanotube films grown on Ti-35Nb alloy, which showed the lowest wear rate [(0.052 ± 0.004)·10?3 mm3/Nm]. To summarize, the untreated Ti-10Nb and the anodized Ti-35Nb alloy were more suitable than titanium, regarding mechanical properties, for use in bone implants. Key words: Tribocorrosion. Mechanical Properties. Nanotubes. Anodization.