Analysis of the mechanical behaviour and structural characterisation of high entropy quaternary alloys

Abstract

[EN] Los avances de los materiales de alta entropía han llevado a distintas aplicaciones de los mismos como materiales estructurales o biomateriales entre otros. Estas aleaciones, a diferencia de las convencionales donde se tiene una matriz de un elemento principal a la que se le añaden precipitados de otros elementos para mejorar sus propiedades en función de su aplicación, se componen de al menos cinco elementos principales, lo que resulta en un material que posee una alta entropía de mezcla que determina la formación de las fases y, en consecuencia, el comportamiento del material. Aquellas aleaciones compuestas de cuatro elementos principales se denominan de media entropía. El comportamiento mecánico a elevadas temperaturas es una de las propiedades que se mejoran en las aleaciones de alta y media entropía con respecto a las convencionales. Dentro de los materiales, los elementos que más biocompatibilidad poseen son el circonio, titanio, niobio y tántalo, en ese mismo orden, siendo además elementos refractarios que permiten mantener sus propiedades mecánicas y frente a la oxidación en aplicaciones donde las temperaturas pueden alcanzar niveles muy elevados. Por lo anterior, se desarrollaron aleaciones cuaternarias de media entropía. Distintas aleaciones de Ti-Nb-Zr-Ta fueron fabricadas con diferentes proporciones, equiatómicas y equimásicas, por técnicas de pulvimetalurgia y fusión por arco eléctrico, consiguiendo de este modo una aleación que, a priori, se entiende por muy biocompatible y que podría paliar los efectos negativos de emplear, en aplicaciones biomédicas, aleaciones con elementos tóxicos como el aluminio o el vanadio. Las aleaciones obtenidas se caracterizaron microestructural y mecánicamente utilizando ensayos en microprobetas para poder determinar sus principales parámetros mecánicos. Además, se elaboró el presupuesto asociado al desarrollo del presente trabajo, el cual ascendió a una cantidad de treinta y cinco mil setecientos sesenta y tres euros y cuarenta y ocho céntimos. Aportación a los ODS: El desarrollo de este trabajo está directamente vinculado a tres de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), (3) Salud y Bienestar, (9) Industria, Innovación e Infraestructura y (12) Producción y Consumo Responsables. En este sentido, se busca indagar en nuevas aleaciones que puedan permitir una mayor vida útil de los implantes, acompañando así al incremento de la esperanza de vida de la población, lo que resulta beneficioso para la salud y el bienestar social. Para ello, es necesario estudiar aleaciones cuyo proceso de fabricación sea posteriormente industrializable para su comercialización, de modo que se encuentra asociado con la industria manufacturera. Finalmente, para el desarrollo del proyecto de investigación se ha trabajado con procesos pulvimetalúrgicos, los cuales proporcionan un mayor aprovechamiento de la materia prima, consiguiendo con ello un consumo responsable.

[CAT] Els avanços dels materials d'alta entropia han portat a diferents aplicacions dels mateixos com a materials estructurals o biomaterials entre altres. Aquests aliatges, a diferència de les convencionals on es té una matriu d'un element principal a la qual se li afigen precipitats d'altres elements per a millorar les seues propietats en funció de la seua aplicació, es componen d'almenys cinc elements principals, la qual cosa resulta en un material que posseeix una alta entropia de mescla que determina la formació de les fases i, en conseqüència, el comportament del material. Aquells aliatges compostos de quatre elements principals es denominen de mitja entropia. El comportament mecànic a elevades temperatures és una de les propietats que es milloren en els aliatges d'alta i mitjana entropia respecte als convencionals. Dins dels materials, els elements que més biocompatibilitat posseeixen són el zirconi, titani, niobi i tàntal, en aqueix mateix ordre, sent a més elements refractaris que permeten mantindre les seues propietats mecàniques i enfront de l'oxidació en aplicacions on les temperatures poden aconseguir nivells molt elevats. Per l'anterior, es van desenvolupar aliatges quaternaris de mitja entropia. Diferents aliatges de Ti-Nb-Zr-Ta van ser fabricades amb diferents proporcions, equiatómiques i equimásiques, per tècniques de pulvimetalurgia i fusió per arc elèctric, aconseguint d'aquesta manera un aliatge que, a priori, s'entén per molt biocompatible i que podria pal·liar els efectes negatius d'emprar, en aplicacions biomèdiques, aliatges amb elements tòxics com l'alumini o el vanadi. Els aliatges obtinguts es van caracteritzar microestructural i mecànicament utilitzant assajos en microprovetes per a poder determinar els seus principals paràmetres mecànics. A més, es va elaborar el pressupost associat al desenvolupament del present treball, el qual va ascendir a una quantitat de trenta-cinc mil set-cents seixanta-tres euros i quaranta-huit cèntims.

Aportació als ODS: El desenvolupament d'aquest treball està directament vinculat a tres dels Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS), (3) Salut i Benestar, (9) Indústria, Innovació i Infraestructura i (12) Producció i Consum Responsables. En aquest sentit, es busca indagar en nous aliatges que puguen permetre una major vida útil dels implants, acompanyant així a l'increment de l'esperança de vida de la població, la qual cosa resulta beneficiós per a la salut i el benestar social. Per a això, és necessari estudiar aliatges que el seu procés de fabricació siga posteriorment industrializable per a la seua comercialització, de manera que es troba associat amb la indústria manufacturera. Finalment, per al desenvolupament del projecte d'investigació s'ha treballat amb processos pulvimetalurgics, els quals proporcionen un major aprofitament de la matèria primera, aconseguint amb això un consum responsable.

[EN] Advances in high entropy materials have led to various applications of these materials as structural materials or biomaterials, among others. Unlike the conventional ones, where there is a matrix of the main element to which precipitates of other elements are added to improve their properties, high entropy alloys are composed of at least five main elements. As a result, the material has a high entropy of mixture, which determines the formation of the phases and its mechanical behaviour. The mechanical behaviour at high temperatures is one of the properties that is improved in high and medium entropy alloys concerning the conventional ones. Among the materials, the most biocompatible elements are zirconium, titanium, niobium, and tantalum, in that order, being also refractory elements that allow maintaining their mechanical properties and against oxidation in applications where temperatures can reach very high levels. Therefore, quaternary alloys of medium entropy were developed in this work. Different Ti-Nb-Zr-Ta alloys were manufactured with different equiatomic and equiatomic ratios by powder metallurgy and electric arc melting techniques, thus achieving an alloy that, a priori, is understood to be very biocompatible and that could alleviate the adverse effects to use, in biomedical applications, alloys with toxic elements such as aluminium or vanadium. The alloys obtained were microstructurally and mechanically characterised using microprobes tests to determine their main mechanical parameters. In addition, the budget associated with developing this work was drawn up, which amounted to thirty-five thousand seven hundred and sixty-three euros and forty-eight cents. Contribution to the SDGs: The development of this work is directly linked to three of the Sustainable Development Goals (SDGs), (3) Good Health and Well-being, (9) Industry, Innovation, and Infrastructure, and (12) Responsible Consumption and Production. In this sense, the aim is to investigate new alloys that can enable implants to last longer, thus accompanying the increase in life expectancy of the population, which is beneficial for health and social well-being. To this end, it is necessary to study alloys whose manufacturing process can subsequently be industrialised to be marketed, what is related to the manufacturing industry. Finally, powder metallurgical processes have been used to develop the research project, which provides better use of the raw materials and, consequently, responsible consumption.