Estudio de la modificación superficial por láser de aleaciones pulvimetalúrgicas de titanio para la mejora de su comportamiento mecánico y químico

Abstract

[ES] La amplia utilidad del titanio en el campo de la biomedicina es debida a sus propiedades de biocompatibilidad, osteointegración y resistencia a la corrosión. Sin embargo, deben abordarse los dos problemas principales a la hora de obtener aleaciones de titanio: la citotoxicidad de los componentes de la aleación y el módulo elástico. Los problemas alérgicos y citotóxicos que provocan el vanadio y el aluminio sugieren cuestionar la utilización de la aleación Ti6Al4V, hasta ahora la más usada en implantología. En cuanto al problema del apantallamiento de tensiones, el módulo elástico puede reducirse notoriamente mediante ciertos ß estabilizantes. Algunos autores han explorado el niobio como elemento de aleación ya que es un elemento que, además de estabilizar la fase ß, presenta una gran biocompatibilidad. Por otra parte, el molibdeno es un fuerte ß estabilizante muy utilizado en aleaciones ternarias para mejorar las propiedades mecánicas de las mismas. El mayor inconveniente del uso de aleaciones de titanio es el elevado coste de fabricación debido a su alta reactividad, por lo que en este trabajo se utiliza el método pulvimetalúrgico convencional como alternativa para reducir el costo de producción. Sin embargo, la pulvimetalurgia conlleva la fabricación de piezas con cierta porosidad abierta perjudicial para propiedades superficiales como la resistencia a la corrosión o el comportamiento en liberación de iones. Por ello, es importante considerar un método capaz de cerrar esta porosidad. De esta forma, el objetivo principal es estudiar el efecto que produce la modificación superficial por láser de aleaciones pulvimetalúrgico de Ti-Nb-Mo para la mejora de su comportamiento mecánico y químico. Se han obtenido aleaciones Ti13Nb12Mo, Ti20Nb10Mo, Ti27Nb8Mo y Ti35Nb6Mo. Las mezclas de los polvos utilizados se produjeron en atmosfera inerte. La compactación uniaxial se ha realizado a 600 MPa, sinterizándose en alto vacío a 1250 ¿C por 3h. De este modo se han elaborado probetas para el ensayo de flexión a tres puntos de las que se han determinado sus propiedades mecánicas. Se ha realizado la caracterización microestructural de las aleaciones por microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X, obteniendo la distribución de fases, porosidad, tamaño y forma de los granos de cada aleación y estudiando con más detenimiento el efecto del láser sobre estos parámetros. El comportamiento de las aleaciones en ambientes corrosivos se ha evaluado mediante ensayos electroquímicos utilizando una celda de tres electrodos en un electrolito de saliva artificial modificada de Fusayama a 37¿C. Se ha establecido la existencia de una capa interior compacta y una capa exterior porosa por impedancias electroquímicas mediante el modelaje a un circuito eléctrico. La caracterización química se ha completado con el análisis del comportamiento en liberación de iones de las aleaciones estudiadas mediante ICP-EOS tras su inmersión por 730 horas en solución de Fusayama modificada con NaF a 37¿C, simulando un tiempo de vida de 20 años sobre la base de un ciclo de 3 cepillados dentales diarios de 2 minutos.

El comportamiento frente a la corrosión de las aleaciones estudiadas confirma las posibilidades prometedoras que pueden tener estas aleaciones dentro del campo de la biomedicina. La porosidad superficial de las muestras sin tratamiento superficial es la causa del deterioro de las propiedades frente a corrosión y en liberación de iones, por lo que pueden verse valores mucho más nobles para las aleaciones con tratamiento superficial. Los estudios realizados han permitido concluir que la vía pulvimetalúrgica de mezcla elemental, compactación y sinterización convencional, completando con un tratamiento superficial de fusión por láser, permite obtener materiales con propiedades muy similares a otro ya utilizado en el sector médico como es el Ti6Al4V. Sin embargo, hay que tener en cuent

[EN] Titanium's wide usefulness in the field of biomedicine is due to its properties of biocompatibility, osseointegration and corrosion resistance. However, the two main problems in the production of titanium alloys must be taken into account: the cytotoxicity of the alloy components and the elastic modulus. The allergic and cytotoxic problems caused by vanadium and aluminium suggest reconsidering the use of Ti6Al4V alloy, until now the most used in implantology. When it comes to the problem of stress shielding, the elastic modulus can be significantly reduced by means of certain stabilisers (ß). Some authors have explored niobium as an alloying element since it is an element that, in addition to stabilizing the phase ß, presents a great biocompatibility. On the other hand, molybdenum is a strong stabilizer widely used in ternary alloys to improve their mechanical properties. The main disadvantage of the use of titanium alloys is the high manufacturing cost due to its high reactivity, so in this work the conventional powder metallurgical method is used as an alternative to reduce the production cost. However, powder metallurgy involves the manufacture of parts with a certain open porosity that is detrimental to surface properties such as corrosion resistance or ion release behaviour. Therefore, it is important to consider a method which can close this porosity. In this way, the main objective is to study the effect produced by the superficial modification by laser of Ti-Nb-Mo powder metallurgical alloys for the improvement of their mechanical and chemical behaviour. Ti13Nb12Mo, Ti20Nb10Mo, Ti27Nb8Mo and Ti35Nb6Mo alloys have been obtained. The powder mixtures used were produced in an inert atmosphere. Uniaxial compaction was performed at 600 MPa, sintering in high vacuum at 1250 ¿C for 3 hours. In this way, specimens for the three-point flexure test have been elaborated and their mechanical properties have been determined. The microstructural characterization of the alloys has been performed by scanning electron microscopy and X-ray diffraction, obtaining the distribution of phases, porosity, size and shape of the grains of each alloy and studying in more detail the effect of the laser on these parameters. The behaviour of the alloys in corrosive environments has been evaluated by electrochemical tests using a three-electrode cell in an artificial saliva electrolyte modified from Fusayama to 37 ¿C. The existence of a compact inner layer and a porous outer layer by electrochemical impedances has been established by modeling to an electrical circuit. The chemical characterization has been completed with the analysis of the ionic release behaviour of the alloys studied by ICP-EOS after immersion for 730 hours in Fusayama solution modified with NaF at 37 ¿C, simulating a lifespan of 20 years based on a cycle of 3 toothbrushes daily of 2 minutes. The corrosion behaviour of the alloys studied confirms the promising possibilities that these alloys may have within the field of biomedicine. The surface porosity of the samples without surface treatment is the cause of the deterioration of the properties against corrosion and in liberation of ions, reason why much more noble values can be seen for the alloys with surface treatment. The studies carried out have allowed us to conclude that the pulvimetallurgical way of elemental mixture, compaction and conventional sintering, completing with a superficial treatment of fusion by laser, allows us to obtain materials with very similar properties to those already used in the medical sector, such as Ti6Al4V. However, it must be considered that the behaviour of the samples tested in this phase does not constitute a decisive evidence for their application in materials for prostheses and implants. This study should be completed with an in vitro biological characterization and, depending on the results, should consider possible in vivo studies.