Estudio de las transformaciones superficiales en aleaciones Ti-35Nb-2Sn y Ti-25Nb-8Mo procesadas mediante técnicas láser

Abstract

[ES] Las aleaciones de Titanio (Ti) tienen una gran importancia en numerosas industrias. En particular, son los metales más utilizados para aplicaciones biomédicas. La aleación más común, Ti6Al4V tiene desventajas de toxicidad y elevado modulo elástico. Para superarlas se usan cada vez más como aleantes el Niobio (Nb) y Molibdeno (Mo). Son elementos estabilizantes de fase β que tiene el módulo elástico más reducido y además son biocompatibles y poco tóxicos. El estaño (Sn) es un elemento neutro (no βestabilizante), no refractario que también es biocompatible y se utiliza mucho como aleante en biomateriales. La obtención de las aleaciones por el método pulvimetalurgico (PM) es una alternativa más económica al método convencional de colada, que además permite obtener formas de componentes difíciles de obtener por otras rutas. Sin embargo, las aleaciones obtenidas por PM presentan un problema de porosidad elevada que reduce la resistencia a compresión y corrosión. Se pretende reducir esta porosidad realizando tratamientos superficiales, uno de los cuales es la refusión con láser. En este tratamiento se funde una pequeña capa del material aportando calor con el rayo del láser a velocidad y potencia determinadas. Al solidificar se forma una capa superficial que puede mejorar las propiedades mecánicas de las piezas. En este trabajo se estudian algunas propiedades mecánicas y la microestructura de las muestras de 30x12x5 mm3 de aleaciones Ti-35Nb-2Sn y Ti-27Nb-8Mo obtenidas por PM después de la refusión superficial con cinco condiciones (potencia y velocidad del láser). En primer lugar, se analiza la porosidad y densidad relativa obtenidas por el método de Arquímedes. Se obtiene el módulo elástico utilizando la técnica de excitación por impulso. Se realiza el ensayo a flexión a cuatro puntos para obtener el módulo elástico a flexión, resistencia máxima y deformación. Se estudian las dimensiones de las zonas refundidas en las imágenes obtenidas mediante microscopia óptica. Mediante las imágenes de microscopia electrónica de barrido se analiza la microestructura tanto de los cordones de refusión como de las superficies refundidas y fracturas. Se evalúa la geometría de las superficies refundidas con un perfilómetro y finalmente se realiza el ensayo de nanoindentación de los cordones de refusión y la ZAC (zona afectada por el calor) para determinar la evolución de la dureza y el módulo de indentación a lo largo de ellos. Analizando los resultados de dichos ensayos podemos concluir que para las aleaciones en cuestión obtenidas por PM se consigue una mejora de algunas propiedades mecánicas superficiales gracias a la refusión superficial con el láser y se establecen algunas correlaciones entre los parámetros del láser y las mejoras. Sin embargo, habría que estudiar el comportamiento químico de las aleaciones para asegurar que no presenten problemas de corrosión. Este trabajo encuadra en los siguientes ODS (objetivos del desarrollo sostenible): -ODS 3, Salud y bienestar: ya que los implantes de las aleaciones estudiadas podrían ayudar a salvar las vidas, por ejemplo, de las víctimas de accidentes de tráfico, como lo propone la meta 3.6 - ODS 4, Educación de calidad: ya que el hecho de que la autora de este trabajo está realizando sus estudios demuestra el acceso igualitario de todos los hombres y las mujeres a una formación técnica, como lo propone la meta 4.3 -ODS 9, Industria, innovación e infraestructuras: ya que aporta a la investigación científica y mejora la capacidad tecnológica del sector industrial, como se propone en la meta 9.5

[CAT] Els aliatges de Titani (Ti) tenen una gran importància en nombroses indústries. En particular, són els metalls més utilitzats per a aplicacions biomèdiques. L'aliatge més comú, Ti6Al4V té desavantatges de toxicitat i elevat mòdul elàstic. Per superar-les usen cada vegada més com a aleants el Niobi (Nb) i Molibdè (Mo). Són elements estabilitzants de fase β que té el mòdul elàstic més reduït i a més són biocompatibles i poc tòxics. L'estany (Sn) és un element neutre (no β-estabilitzant), no refractari que també és biocompatible i s'utilitza molt com a aliant en biomaterials. La obtenció dels aliatges pel mètode pulvimetal·lúrgic (PM) és una alternativa més econòmica al mètode convencional de colada, que a més permet obtenir formes de components difícils d'obtenir per altres rutes. No obstant això, els aliatges obtinguts per PM presenten un problema de porositat elevada que redueix la resistència a compressió i corrosió. Es pretén reduir aquesta porositat fent tractaments superficials, un dels quals és la refusió amb làser. En aquest tractament es fon una petita capa del material aportant calor amb el raig del làser a velocitat i potència determinades. En solidificar es forma una capa superficial que pot millorar les propietats mecàniques de les peces. En aquest treball s'estudien algunes propietats mecàniques i la microestructura de les mostres de 30x12x5 mm3 d'aliatges Ti-35Nb-2Sn i Ti-27Nb-8Mo obtingudes per PM després de la refusió superficial amb cinc condicions (potència i velocitat del làser). A primer lloc, s'analitza la porositat i la densitat relativa obtingudes pel mètode d'Arquimedes. S'obté el mòdul elàstic utilitzant la tècnica d'excitació per impuls. Es realitza l'assaig a flexió a quatre punts per obtenir el mòdul elàstic a flexió, resistencia màxima i deformació. S'estudien les dimensions de les zones refoses a les imatges obtingudes mitjançant microscòpia òptica. Mitjançant les imatges de microscòpia electrònica d'escombrada s'analitza la microestructura tant dels cordons de refusió com de les superfícies refoses i les seues fractures. S'avalua la geometria de les superfícies refoses amb un perfilòmetre i finalment es realitza el assaig de nanoindentació dels cordons de refusió i la ZAC (zona afectada per la calor) per determinar l'evolució de la duresa i el mòdul d'indentació al llarg d'ells. Analitzant els resultats d'aquests assaigs podem concloure que per els aliatges en qüestió obtinguts per PM s'aconsegueix una millora de algunes propietats mecàniques superficials gràcies a la refusió superficial amb el làser i s'estableixen algunes correlacions entre els paràmetres del làser i les millores. No obstant això, caldria estudiar el comportament químic dels aliatges per assegurar que no presenten problemes de corrosió. Aquest treball s'enquadra en els següents ODS (objectius del desenvolupament sostenible): -ODS 3, Salut i benestar: ja que els implants dels aliatges estudiades podrien ajudar a salvar les vides, per exemple, de les víctimes d'accidents de trànsit, com ho proposa la meta 3.6. - ODS 4, Educació de qualitat: ja que el fet que l'autora de aquest treball està fent els estudis demostra l'accés igualitari de tots els homes i les dones a una formación tècnica, com ho proposa la meta 4.3 -ODS 9, Indústria, innovació i infraestructures: ja que aporta resultats a la investigació científica i millora la capacitat tecnològica del sector industrial, com es proposa a la meta 9.5.

[EN] The Titanium (Ti) alloys are important for many industries because of their unique properties. In particular, they are the most used metals for biomedical applications. The most common alloy, Ti6Al4V, has the disadvantages of toxicity and high elastic modulus. In order to overcome these disadvantages, the Nb (Niobium) and Mo (Molybdenum) are used as alloying elements in the recent years. They are stabilizing elements of the β phase, the one that offers the lowest elastic modulus. The tin (Sn) is a neutral element (not β-stabilizing) and non-refractory, which also presents great biocompatibility and is commonly used in biomaterials. The powder metallurgy (PM) is a cheaper alternative method of alloy fabrication which also allows creating components with shapes that are hard to achieve by other methods. On the other hand, the components created by PM have the problem of high porosity which leads to poor compression and corrosion resistance. This porosity can be reduced by applying superficial treatments. One of them is laser surface modification, in which a small layer of the material is melted with the laser beam with given power and speed. After solidification, a layer with improved mechanical properties is formed. In this work, some of mechanical properties and microstructure of Ti-35Nb-2Sn and Ti27Nb-8Mo alloys, obtained by PM and treated with laser, are studied. The samples of alloys of 30x12x5 mm3 and five laser conditions (sets of power and speed of the laser) were used. In the first place, the porosity and density obtained with the Archimedes method are analyzed. The elastic modulus is obtained using the pulse excitation technique. The, the four-point flexure test is performed to determine the elastic flexural modulus, resistance and deformation. The dimensions of the remelted zones are studied using the optical microscopy and with electron microscopy images are used to analyze the remelted surfaces as well as the fractures. To study the geometry of the surface, perfilometry is used. And finally, nanoindentation tests of the remelted zones and HAZ (head affected zones) are performed to determine the evolution of the microhardness and nanoindentation modulus. Analyzing the results of the tests described above, the conclusion is, the laser surface modification improves some of the mechanical surface properties of the studied alloys obtained by PM. In addition, the correlations of these improvements with the laser conditions are established. However, the chemical analysis of the alloys should be performed to make sure they do not present significant corrosion problems. This work could be framed in the following SDG (sustainable development goals): -SDG 3, Good health and well-being: as the implants made of the studied alloys could save lives, for example, of the traffic accident victims, as the target 3.6 suggests. - SDG 4, Quality education: as the fact that the author of this work is carrying out her studies demonstrates the equal access opportunities to technical degrees for men and women, as it is stated in the target 4.3. -SDG 9, Industry, innovation and infrastructures: as it contributes to the scientific investigation and improves the technological capacity in the industrial sector, as it is is proposed in the target 9.5.