Phase transformations, microstructure and mechanical properties of new beta metastable Ti-Nb-Zr-Fe (TNZF) alloys for biomedical applications

Autor(es)

Camilo Augusto Fernandes Salvador

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Mecânica
• Data de defesa: 2019-04-02

Membros da banca

Rubens Caram Junior; Claudemiro Bolfarini; Andre Tschiptschin; João Batista Fogagnolo; Rodrigo José Contieri

• Orientador: Rubens Caram Junior

Resumo

A obtenção de ligas de titânio de baixo custo com elevada razão entre tensão de escoamento e módulo de elasticidade (EAS) é um dos grandes desafios na área de biomateriais estruturais. Neste estudo, nós respondemos à esse desafio em duas frentes. Inicialmente, exploramos o sistema Ti-Nb-Fe com o objetivo de encontrar composições otimizadas, que apresentassem um baixo módulo de elasticidade com um teor de Nb reduzido. Lingotes das ligas Ti-(31-4x)Nb-(1+0.5x)Fe foram preparados, enquanto o Nb foi sendo substituído por Fe, a partir da liga Ti-31Nb-1.0Fe até a liga Ti-11Nb-3.5Fe. As amostras foram solubilizadas e testadas sob três diferentes condições: resfriada em água, resfriada em forno e envelhecida (diversas temperaturas). As microestruturas resultantes foram analisadas por meio de difração de raios-X, calorimetria exploratória diferencial, microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Entre as ligas ternárias, a liga Ti-19Nb-2.5Fe foi a que apresentou a melhor combinação de resistência mecânica e módulo de elasticidade. As amostras envelhecidas revelaram dados interessantes sobre a formação e crescimento da fase alfa neste sistema durante o envelhecimento. Em geral, a formação de alfa se dá preferencialmente nos contornos de grão, mesmo em tratamentos isotérmicos de curta duração (1 min). Uma microestrutura composta de grãos de beta e fase alfa fina e dispersa foi obtida para a maioria das ligas através de envelhecimentos à 450 ºC. A segunda parte do projeto consistiu na exploração de ligas quaternárias Ti-Nb-Fe-Zr, com adições de 4 a 13% (peso) de Zr. Uma liga adicional, baseada na liga Ti-19Nb-2.5Fe, foi preparada com adição de 6% de Sn. Além de todo o trabalho de caracterização executado, ensaios de tração a temperatura ambiente comprovaram que ligas do sistema Ti-Nb-Fe-Zr podem atingir EAS próxima de 1,5, com boa ductilidade. As adições de Zr e Sn foram uteis na supressão da fase omega após resfriamento em água. Além disso, Zr e Sn são igualmente particionados entre matriz e precipitados durante o envelhecimento. Enquanto a difusão de Nb e Fe foi favorecida pelos contornos de grão, ela parece ser inibida na presença de Zr e Sn. Como consequência, adições de Sn resultam em uma maior resistência mecânica e precipitação de alfa mais refinada. Finalmente, um mapa de seleção de materiais é apresentado com o objetivo de ajudar futuros autores a comparar ligas de aplicação biomédica tendo como parâmetros a razão tensão-módulo (EAS) e o custo (AU)

• Processo FAPESP: 14/24449-0 - Transformações de fase, microestrutura e propriedades mecânicas de novas ligas de titânio beta metaestáveis do sistema Ti-Nb-Zr-Fe (TNZF) para aplicação biomédica
• Beneficiário: Camilo Augusto Fernandes Salvador
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado