Development of new high performance Titanium alloys with Fe-addition for dental implants

Abstract

[EN] Ti and its alloys are mostly used biomaterials due to its unique properties like (high corrosion resistance, low elastic modulus, high mechanical strength/ density and good biocompatibility). Ti β alloys based on the Ti-Mo alloy system shows unique properties to employ as biomaterials. Tiβ alloys have lower Young Modulus, shielding stress and lower bone reabsorption. This research aims to develop a new biomaterial for a dental implant. This research evaluates the addition of Zr and a small amount of Fe on the β-phase stability and the mechanical properties of Ti-Mo alloy to be employed for the medical applications. These alloys had been produced using two powder metallurgy (PM) techniques; first technique is elemental blending (EB) which had been selected because it enhanced the surface contact between the alloying element and Titanium (Ti) with a cost-effective route. The behavior of different Ti alloys composition was evaluated using this technique. Samples were uniaxial pressed at 600 MPa and sintered at 1250ºC. Second technique evaluated in this study was Mechanical alloying (MA). This technique has higher mixing energy than elemental blend which improves mechanical contact between different particles, and it helps diffusion during the sintering process. Samples were pressed at 600 MPa initially, and after evaluating mechanical properties, compaction pressure is changed to 900 MPa for a high green density of powders. Different mechanical tests and microstructural studies were performed for elemental blend (EB) samples and for mechanical alloying samples to ensure the properties suitable for biomedical applications. Different tests for MA are Fluidity test (suitable to know about the flow of the powder after milling cycle) and Granulometric Analysis (test is suitable for powder distribution analysis). Other tests are common like Archimedes test which is suitable for calculating the porosity of the sintered samples, Three-point bending test is suitable for knowing Bending strength of the sintered samples and to know energy conserved by the breaking samples, Ultrasonic test performed for knowing elastic modulus of the alloys, Hardness test performed for calculating the Vicker´s hardness of the alloy, SEM analysis performed to know about microstructure and EDX analysis(by which proper mixing of the alloying element with the central element would be known). EBSD (Electron Beam Scattered Diffraction) is also performed for more analysis about microstructure, grain size, mixing of different elements in alloys. EBSD is an excellent tool for microanalysis of the material. From the results section, Green density of the alloy, fluidity of the milled powder, Granulometry of the powder, sintered density of the alloy (From Archimedes test), bending strength and bending modulus of the alloy, Elastic modulus by Ultrasonic test, Microstructure of the alloy(By SEM and EBSD Analysis of the sintered part.) are determined. Green density for elemental blend alloys is in the range of (77.42- 78.11%) and for Mechanical alloying samples were (74.94-78.58%). Sintered density obtained by Archimedes' test for the elemental blend is in the range of (96.88- 98.74%). Bending strength obtained from three-point bending test is in range of (666-2161 MPa), and mechanical alloying is in range of (371-1597 MPa). From the high test, Determined Elastic modulus of the alloy is in range of (95.5-103 GPa) and for Mechanical Alloying elastic modulus was in the range of (66-82 GPa), which would be more suitable for biomedical applications. (From the SEM and EBSD analysis Mechanical alloying are more homogeneous mixing in comparison to Elemental Blend. Green density (just after compaction) for the elemental blend is more than mechanical alloying so that Sintered Density for Elemental Blend is more than Mechanical Alloying. Due to higher sintered density, porosity is more in case of the elemental blend. Also, due to higher porosity, bending strength is low in case of mechanical alloying with same sintering parameters as Elemental blend alloys. Micro-Hardness value is more in case of elemental blend in comparison to Mechanical Alloying. Elastic modulus is more in case of elemental blend in comparison to mechanical alloying; lower elastic modulus is more suitable for biomedical applications. Grains are more regular and smaller in case of Mechanical alloying which is due to a more homogeneous distribution of the elements in comparison to elemental blend. Powder processing technique is changed from Elemental Blend to Mechanical Alloying due to the improvement of homogeneity of green powders. Mechanical Alloying produced more homogeneous mixture due to high-speed milling with higher Ball to powder ratio (which generates higher energy within the jars and breaks the powders into smaller particles). Different combination of milling speed and milling time performed for our results and the effects of a combination of different parameters observed.

[ES] El titanio y sus aleaciones son los biomateriales principalmente usados debido a sus propiedades únicas como alta resistencia a la corrosión, bajo módulo de elasticidad, alta resistencia mecánica/densidad y buena biocompatibilidad. Las aleaciones Tiβ basadas en el sistema de aleación Ti-Mo muestran propiedades únicas para emplearse como biomateriales. Las aleaciones de Tiβ tienen un módulo de Young más bajo, menor apantallamiento de tensiones y menor reabsorción ósea. Esta investigación tiene como objetivo desarrollar un nuevo material biológico para un implante dental. Esta investigación evalúa la adición de Zr y una pequeña cantidad de Fe sobre la estabilidad de fase β y las propiedades mecánicas de la aleación de Ti-Mo que se utilizará para las aplicaciones médicas. Estas aleaciones se han producido utilizando dos técnicas de pulvimetalurgia (PM); La primera técnica es la combinación de polvos elementales (EB) que se ha seleccionado porque mejora el contacto superficial entre el elemento de aleación y el titanio (Ti) con una ruta rentable. El comportamiento de diferentes composiciones de aleaciones de Ti se evaluó utilizando esta técnica. Las muestras se prensaron uniaxialmente a 600 MPa y se sinterizaron a 1250ºC. La segunda técnica evaluada en este estudio fue la aleación mecánica (MA). Esta técnica tiene una mayor energía de mezcla que la mezcla elemental, lo que mejora el contacto mecánico entre las diferentes partículas y ayuda a la difusión durante el proceso de sinterización. Las muestras se prensaron, igualmente, a 600 MPa inicialmente, y después de evaluar las propiedades mecánicas, la presión de compactación se aumentó a 900 MPa para una mayor densidad en verde de los polvos. Se realizaron diferentes pruebas mecánicas y estudios microestructurales para las muestras de mezcla elemental (EB) y las muestras de aleación mecánica (MA) para garantizar las propiedades adecuadas para aplicaciones biomédicas. Las diferentes pruebas para MA han sido la fluidez, adecuada para conocer el flujo del polvo después del ciclo de molienda, y el análisis granulométrico, adecuado para el análisis de la distribución del tamaño de los polvos. Otras pruebas comunes como la determinación de la densidad por el método de Arquímedes, adecuada para calcular la porosidad de las muestras sinterizadas, el ensayo de flexión a tres puntos para conocer las propiedades mecánicas de las muestras sinterizadas y conocer la energía conservada por las muestras a rotura, y la dureza Vickers de las aleaciones. Mediante ultrasonidos se ha determinado el módulo elástico de las aleaciones. El análisis microestructural se ha realizado mediante microscopía electrónica de barrido y análisis por energías dispersivas de rayos X mediante los que se ha determinado la homogeneidad química de las aleaciones. La difracción de electrones retrodispersados (EBSD) ha permitido obtener la orientación cristalina de cada grano y su tamaño, pues resulta una excelente herramienta para el microanálisis del material. La densidad en verde para aleaciones de mezcla elemental está en el rango del 77.42- 78.11% y para las muestras de aleación mecánica se han obtenido densidades relativas del 74.94-78.58%. La densidad de los sinterizados, obtenida por el método de Arquímedes, está en el rango del 96.88-98.74%, para la mezcla elemental de polvos. La resistencia a la flexión obtenida a partir de la prueba de flexión a tres puntos está en un amplio rango de 666 a 2161 GPa, mientras que para los polvos de aleación mecánica se encuentra en el rango de los 371 a 1597 GPa. El módulo elástico determinado en las aleaciones obtenidas con polvos de mezcla elemental está en el rango de los 95.5 a los 103 GPa, mientras que, en las obtenidas con los polvos mezclados mecánicamente, su módulo elástico oscila entre los 66 y los 82 GPa, que sería más adecuado para un menor apantallamiento de tensiones. La microestructura de las muestras procesadas con polvos elementales con polvos mezclados mecánicamente, presentan diferencias sustanciales con un afinamiento del tamaño de grano con los polvos mezclados mecánicamente, aunque aparecen claramente diferenciadas dos fases distintas y una mayor proporción de fase . Debido a la menor densidad de las muestras procesadas con los polvos mezclados mecánicamente, estas presentan una menor resistencia mecánica y a su vez una menor plasticidad. Por ello se opta por utilizar técnicas de sinterización de alta densificación como el Spark Plasma Sinterirng (SPS) a pesar de lo cual no obtenemos mejora en el comportamiento mecánico de las mismas. Sin embargo, en los ensayos de corrosión y liberación de iones si se ha encontrado una sustancial mejor en las muestras obtenidas por SPS.

[CA] El titani i els seus aliatges són utilitzats, principalment, com a biomaterials per les seves propietats úniques com alta resistència a la corrosió, baix mòdul d'elasticitat, alta resistència mecànica específica i bona biocompatibilitat. Els aliatges β Ti basades en el sistema d'aliatge Ti-Mo mostren propietats úniques per a emprar-se com biomaterials. Els aliatges de β Ti tenen un mòdul de Young més baix, menor apantallament de tensions i menor reabsorció òssia. Aquesta investigació té com a objectiu desenvolupar un nou material biocompatible per a la seva aplicació com a implants dentals. Aquesta investigació avalua l'addició de Zr i petites quantitats de Fe sobre l'estabilitat de la fase β i les propietats mecàniques dels aliatges Ti-Mo que s'utilitzaran per a aplicacions biomèdiques. Aquests aliatges s'han produït utilitzant dues tècniques pulvimetalúrgiques (PM); La primera tècnica és la mescla elemental de pols (EB) que s'ha seleccionat perquè millora el contacte superficial entre l'element d'aliatge i el titani (Ti) amb una ruta rendible. El comportament de diferents composicions d'aliatges de Ti s'ha avaluat utilitzant aquesta tècnica. Les mostres es van premsar uniaxialment a 600 MPa i es sinteritzaren a 1250ºC. La segona tècnica avaluada en aquest estudi va ser l'aliatge mecànica (MA). Aquesta tècnica té una major energia de mescla que la mescla elemental, el que millora el contacte mecànic entre les diferents partícules i ajuda a la difusió durant el procés de sinterització. Les mostres es van premsar a 600 MPa inicialment, i després d'avaluar les propietats mecàniques, la pressió de compactació es va augmentar a 900 MPa per a una major densitat en verd de les pols. Es van realitzar diferents proves mecàniques i estudis microestructurals per a mostres de mescla elemental (EB) i per a mostres d'aliatge mecànica per garantir les propietats adequades per a aplicacions biomèdiques. Les diferents proves per MA són la prova de fluïdesa (adequada per conèixer el flux de la pols després del cicle d'aliatge mecànica) i l'anàlisi granulomètric (la prova és adequada per a l'anàlisi de distribució de la mida de les pols). S'han realitzat altres proves comunes com la prova d'Arquímedes, adequada per a calcular la porositat de les mostres sinteritzades. La prova de flexió de tres punts és adequada per conèixer la resistència a la flexió de les mostres sinteritzades i conèixer l'energia conservada per les mostres durant el seu trencament. Mitjançant ultrasons s'ha determinat el mòdul elàstic dels aliatges i la duresa s'ha realitzat per calcular la duresa Vickers de l'aliatge. S'ha realitzat l'anàlisi per SEM per conèixer la microestructura i l'anàlisi per EDX (mitjançant el qual es coneixeria la mescla adequada de l'element d'aliatge amb l'element central). EBSD (difracció d'electrons retro dispersats) també es realitza per a un més complet anàlisi sobre la microestructura, orientacions cristal·lines, mida de gra, mescla de diferents elements en els aliatges. EBSD és una excel·lent eina per al microanàlisi del material. De la secció de resultats es determinen la densitat en verd de l'aliatge, fluïdesa de la pols mòlta, granulometria de la pols, densitat de l'aliatge sinteritzada (prova d'Arquímedes), resistència a la flexió i mòdul a flexió de l'aliatge, mòdul elàstic per ultrasons, microestructura de l'aliatge (per SEM i EBSD). La densitat en verd per als aliatges de mescla elemental està en el rang dels 77.42-78.11%, mentre que per a les mostres d'aliatge mecànica van ser d'un 74.94-78.58%. La densitat dels sinteritzats, obtinguda pel mètode d'Arquímedes, està en el rang dels 96.88-98.74%, per la mescla elemental de pols. La resistència a la flexió obtinguda a partir de la prova de flexió de tres punts es troba en el rang dels 666-2161 MPa, mentre que per a les mostres de aliat mecànic el seu rang és molt ampli, des dels 371 als 1597 MPa. A partir de l'assaig d'ultrasons, el mòdul elàstic determinat per als aliatges de mescla elemental està en el rang de 95.5 a 103 GPa i per a les sinteritzades amb pols aliats mecànicament, es troba en el rang dels 66-82 GPa, que seria més adequat per a aplicacions biomèdiques. A partir de les anàlisis per SEM i EBSD, es confirma que l'aliatge mecànica és una mescla més homogènia en comparació amb la mescla elemental dels pols. La densitat en verd (just després de la compactació) per a la mescla elemental és més gran que en l'aliatge mecànica, de manera que la densitat sinteritzada per a la mescla elemental és major igualment que en l'aliatge mecànica. A causa d'una major densitat dels sinteritzats, la porositat és menor en el cas de la mescla elemental. A més, a causa d'una major porositat, la resistència a la flexió és baixa en cas d'aliatge mecànica amb els mateixos paràmetres de sinterització que els aliatges de mescla elemental. El valor de microduresa és major en el cas de la mescla elemental en comparació amb l'aliatge mecànica. El mòdul elàstic també resulta més gran en el cas d'una mescla elemental comparat amb l'aliatge mecànica, que en aquest cas resultaria més adequat per a aplicacions biomèdiques. Els grans són més regulars i més petits en el cas de l'aliatge mecànica, a causa d'una distribució més homogènia dels elements en comparació amb la mescla elemental i als efectes de recristal·lització durant la sinterització. L'aliatge mecànica va produir una mescla més homogènia dels elements d'aliatge, a causa de la mòlta a alta velocitat amb una relació boles/pols més alta que genera una major energia dins de les gerres i obté partícules de pols més petites. S'ha realitzat una combinació de diferents velocitats i temps de mòlta, optimitzant aquests paràmetres per a les nostres aliatges.