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

Abstract

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 β 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.