TCC - Engenharia de Materiais

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ILATIT - Centro de Tecnologia e Infraestrutura - Bacharelado em Engenharia de Materiais

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Desenvolvimento de novas ligas funcionais do sistema Ti-x(Ta-Nb- Zr) para aplicações biomédicas
(2026-01-05) Maldonado, Nahuel Eduardo
Este trabalho investiga o desenvolvimento e a caracterização de novas ligas do sistema Ti-x(Ta-Nb-Zr), com x = 10, 20 e 30% em massa, visando aplicações biomédicas. As ligas de titânio do tipo β têm despertado grande interesse na área de biomateriais devido à sua elevada biocompatibilidade, resistência à corrosão e, principalmente, à possibilidade de obtenção de módulos de elasticidade reduzidos, por meio da transformação de fase, minimizando o efeito de stress shielding em implantes ortopédicos. Nesse contexto, a adição de elementos β-estabilizadores não tóxicos, como nióbio, tântalo e zircônio, mostra-se uma estratégia promissora para a obtenção de ligas com melhor compatibilidade mecânica. O objetivo deste trabalho foi caracterizar quimicamente, estrutural e mecanicamente as ligas Ti-x(Ta-Nb-Zr) e promover a funcionalização superficial dessas ligas por meio de uma oxidação por plasma eletrolítico (PEO), visando melhorar suas propriedades superficiais para aplicações biomédicas. As ligas foram produzidas por fusão a arco elétrico em atmosfera controlada de argônio, com múltiplas fusões para garantir homogeneidade química. A caracterização química foi realizada por espectroscopia de energia dispersiva (EDS), enquanto a estrutura cristalina foi analisada por difração de raios X (DRX) com refinamento de Rietveld. A microestrutura foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), e o módulo de elasticidade dinâmico foi determinado pelo método de excitação por impulso. Além destes testes, após do PEO, foram medidas a dureza (Vickers), energia de superfície e molhabilidade por ângulo de contato. Os resultados indicaram que o aumento do teor de Ta, Nb e Zr favorece a estabilização da fase β, resultando em redução significativa do módulo de elasticidade, com destaque para a liga Ti-20Ta-20Nb-20Zr, que apresentou o menor valor entre as composições estudadas. O tratamento superficial por PEO promoveu a formação de camadas cerâmicas porosas compostas principalmente por óxidos de titânio e zircônio, com incorporação de cálcio e fósforo, apresentando elevada dureza, boa molhabilidade e alta energia superficial. De forma geral, os resultados demonstram que a composição Ti-20Ta-20Nb-20Zr, apresenta um elevado potencial para aplicações biomédicas, combinando baixa rigidez, estabilidade estrutural e química, além das superfícies funcionalizadas adequadas para favorecer a osteointegração. Resumen Este trabajo investiga el desarrollo y la caracterización de nuevas aleaciones del sistema Ti-x(Ta-Nb-Zr), con x = 10, 20 y 30% en masa, orientadas a aplicaciones biomédicas estructurales. Las aleaciones de titanio de tipo β han despertado un gran interés en el campo de los biomateriales debido a su elevada biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y, principalmente, a la posibilidad de obtener un módulo de elasticidad reducido mediante la transformación de fases, minimizando el efecto de stress shielding en implantes ortopédicos. En este contexto, la adición de elementos β-estabilizadores no tóxicos, como el niobio, el tantalio y el circonio, se presenta como una estrategia prometedora para la obtención de aleaciones con una mejor compatibilidad mecánica. El objetivo de este trabajo fue caracterizar química, estructural y mecánicamente las aleaciones Ti-x(Ta-Nb-Zr) y promover la funcionalización superficial de estas aleaciones mediante un proceso de oxidación por plasma electrolítico (PEO), con el fin de mejorar sus propiedades superficiales para aplicaciones biomédicas. Las aleaciones fueron producidas por fusión por arco eléctrico en una atmósfera controlada de argón, con múltiples fusiones para garantizar la homogeneidad química. La caracterización química se realizó mediante espectroscopía de energía dispersiva (EDS), mientras que la estructura cristalina fue analizada por difracción de rayos X (DRX) con refinamiento de Rietveld. La microestructura fue evaluada por microscopía electrónica de barrido (MEB), y el módulo de elasticidad se determinó mediante el método de excitación por impulso. Además de estos ensayos, tras el tratamiento PEO se midieron la dureza (Vickers), la energía superficial y la mojabilidad mediante el análisis del ángulo de contacto. Los resultados indicaron que el aumento del contenido de Ta, Nb y Zr favorece la estabilización de la fase β, lo que conduce a una reducción significativa del módulo de elasticidad, destacándose la aleación Ti-20Ta-20Nb-20Zr por presentar el valor más bajo entre las composiciones estudiadas. El tratamiento superficial por PEO promovió la formación de capas cerámicas porosas compuestas principalmente por óxidos de titanio y circonio, con incorporación de calcio y fósforo, que presentan elevada dureza, buena mojabilidad y alta energía superficial. En términos generales, los resultados demuestran que la composición Ti-20Ta-20Nb-20Zr presenta un alto potencial para aplicaciones biomédicas, al combinar baja rigidez, estabilidad estructural y química, y superficies funcionalizadas adecuadas para favorecer la osteointegración.
Produção e funcionalização superficial de ligas do sistema Ti-20Nb-xTa para aplicações biomédicas
(2025-12-30) Bastos, Marielle
As ligas de titânio vêm sendo amplamente investigadas para aplicações biomédicas devido à sua elevada biocompatibilidade, excelente resistência à corrosão e propriedades mecânicas adequadas ao ambiente fisiológico, entretanto limitações associadas ao elevado módulo de elasticidade e ao desempenho superficial motivam o desenvolvimento de novas ligas e estratégias de modificação de superfície. Nesse contexto, a adição de elementos de liga β-estabilizadores, como nióbio e tântalo, aliada à funcionalização superficial por recobrimentos cerâmicos, constitui uma abordagem eficaz para reduzir o módulo elástico e aprimorar a interação entre o implante e o tecido ósseo. Neste trabalho, foram produzidas e caracterizadas ligas do sistema Ti-20Nb-xTa, com x = 0, 10 e 20% em peso de tântalo, visando avaliar a influência da composição química na microestrutura e nas propriedades mecânicas do material base, bem como o efeito da modificação superficial por oxidação por microarco (MAO). As ligas foram obtidas por fusão a arco em atmosfera inerte, utilizando metais de alta pureza, e caracterizadas quimicamente por espectroscopia de energia dispersiva (EDS), que confirmou boa homogeneidade química e conformidade com as composições nominais. A caracterização estrutural e microestrutural foi realizada por difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), enquanto as propriedades mecânicas foram avaliadas por ensaios de dureza Vickers e determinação do módulo de elasticidade por técnica de excitação por impulso. Os resultados evidenciaram o papel do tântalo como estabilizador da fase β, resultando em microestruturas distintas entre as ligas analisadas, sendo observadas as fases α’’ + β para a liga Ti-20Nb, α’’ + ω + β para a liga Ti-20Nb-10Ta e estrutura β monofásica para a liga Ti-20Nb-20Ta. A composição influenciou diretamente o comportamento mecânico, destacando-se a liga Ti-20Nb pelo menor módulo elástico, mais próximo ao do osso humano, e a liga Ti-20Nb-10Ta pelos maiores valores de dureza e módulo associados à presença da fase ω. Após a caracterização do bulk, as ligas foram submetidas à modificação superficial por oxidação por microarco, utilizando eletrólito contendo cálcio e fósforo, sob regimes galvanostático e potenciostático, visando a obtenção de recobrimentos bioativos. O processo MAO resultou na formação de camadas cerâmicas porosas aderidas ao substrato metálico, as quais foram caracterizadas por MEV, DRX e medidas de ângulo de contato. Nos recobrimentos, foram identificadas fases de TiO₂ nas formas anatase e rutilo, dependendo da composição da liga, além da presença predominante de óxidos amorfos de nióbio e tântalo. A presença da fase rutilo contribuiu para o aumento da dureza superficial e do ângulo de contato, embora todas as ligas tenham permanecido hidrofílicas. Em síntese, os resultados demonstram que a combinação entre composição química, controle microestrutural e modificação superficial por MAO influencia diretamente o desempenho mecânico e superficial das ligas Ti-20Nb-xTa, indicando seu potencial para aplicações biomédicas, especialmente em implantes ortopédicos. Resumen Las aleaciones de titanio han sido ampliamente estudiadas para aplicaciones biomédicas debido a su elevada biocompatibilidad, excelente resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas adecuadas al entorno fisiológico; sin embargo, las limitaciones asociadas al alto módulo elástico y al desempeño superficial impulsan el desarrollo de nuevas aleaciones y estrategias de modificación superficial. En este contexto, la adición de elementos de aleación β-estabilizadores, como el niobio y el tantalio, junto con la funcionalización superficial mediante recubrimientos cerámicos, constituye una estrategia eficaz para reducir el módulo elástico y mejorar la interacción entre el implante y el tejido óseo. En este trabajo se produjeron y caracterizaron aleaciones del sistema Ti-20Nb-xTa, con x = 0, 10 y 20% en peso de tantalio, con el objetivo de evaluar la influencia de la composición química en la microestructura y las propiedades mecánicas del material base, así como el efecto de la modificación superficial mediante oxidación por microarco (MAO). Las aleaciones se obtuvieron por fusión por arco en atmósfera inerte utilizando metales de alta pureza y se caracterizaron químicamente mediante espectroscopía de energía dispersiva (EDS), confirmando una buena homogeneidad química y concordancia con las composiciones nominales. La caracterización estructural y microestructural se realizó mediante difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (MEB), mientras que las propiedades mecánicas se evaluaron mediante ensayos de dureza Vickers y determinación del módulo elástico por la técnica de excitación por impulso. Los resultados demostraron el efecto estabilizador β del tantalio, dando lugar a microestructuras distintas, siendo observadas las fases α’’ + β para Ti-20Nb, α’’ + ω + β para Ti-20Nb-10Ta y una estructura β monofásica para Ti-20Nb-20Ta. La composición influyó directamente en el comportamiento mecánico, destacándose la aleación Ti-20Nb por presentar el menor módulo elástico, más cercano al del hueso humano, y la aleación Ti-20Nb-10Ta por exhibir mayores valores de dureza y módulo asociados a la fase ω. Tras la caracterización del material base, las aleaciones fueron sometidas a modificación superficial por oxidación por microarco utilizando un electrolito con calcio y fósforo, bajo regímenes galvanostático y potenciostático, con el fin de obtener recubrimientos bioactivos. El proceso MAO dio lugar a la formación de capas cerámicas porosas adheridas al sustrato metálico, caracterizadas por MEB, DRX y mediciones de ángulo de contacto. En los recubrimientos se identificaron fases de TiO₂ en las formas anatasa y rutilo, dependiendo de la composición de la aleación, además de la presencia predominante de óxidos amorfos de niobio y tantalio. La presencia de la fase rutilo contribuyó al aumento de la dureza superficial y del ángulo de contacto, aunque todas las superficies permanecieron hidrofílicas. En conjunto, los resultados demuestran que la combinación entre composición química, control microestructural y modificación superficial por MAO influye de manera significativa en el desempeño mecánico y superficial de las aleaciones Ti-20Nb-xTa, indicando su potencial para aplicaciones biomédicas, especialmente en implantes ortopédicos.

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