Estudio de la cinética del sinterizado de sistemas heterogéneos de polvos de la aleación Ti6Al4V

Abstract

This research work studies three different powder systems of Ti6Al4V alloy, to determine the best way to produce materials that allow their use as advanced bone implants. (i) The first consists of studying the behavior of the sintering of simple (dense) materials of Ti64 alloy powders, evaluating the effect of particle size and the green arrangement of the powders. (ii) The second system consists of producing Ti64 materials with artificial porosities called scaffolds, in this case, pore-forming particles of ammonium bicarbonate were used, and the effect generated by changes in the pore size is studied fraction in volume of pores on the densification and in the final microstructure. (iii) Finally, the third system consists in manufacturing Ti64 composite materials reinforced with biocompatible tantalum particles (Ta) to study the effect of inclusion different to the matrix, on densification kinetics, since these inclusions improve cytocompatibility of the alloy. A simple analytical model is proposed to estimate the values of the density as a function of the amount of salt. It was found that the densification increases with the increase of the temperature, the values of the activation energy are similar for the different systems. The mechanisms of fracture are linked to the relationship between the neck and the particle size. The analysis by microtomography allows to analyze that there is a complete interconnectivity of over 20% in volume of salts. While the permeability of the samples was influenced by the fraction in volume of pores and the shape of the pores. It was also found that there is a stabilization of the ? phase of Ti as the addition of Ta particles increases.

Este trabajo de investigación estudia tres diferentes sistemas de polvos de la aleación Ti6Al4V, para determinar la mejor manera de producir materiales que permitan su uso como implantes óseos avanzados. (i) El primero consiste en estudiar el comportamiento de la sinterización de materiales simples (densos) de polvos de la aleación Ti64, evaluando el efecto del tamaño de partícula y el arreglo en verde de los polvos. (ii) El segundo sistema consiste en producir materiales de Ti64 con porosidades artificiales denominados andamios, en este caso como formador de poros se emplearon partículas de bicarbonato de amonio, y se estudia el efecto que generan los cambios en el tamaño de los poros, la fracción en volumen de poros sobre la densificación y en la microestructura final. (iii) Por último, el tercer sistema consiste en fabricar materiales compuestos de Ti64 reforzados con partículas biocompatibles de tantalio (Ta) para estudiar el efecto de la inclusión diferente a la matriz, sobre la cinética de densificación, ya que estas inclusiones mejoran la citocompatibilidad de la aleación. Se propone un modelo analítico simple para estimar los valores de la densidad en función de la cantidad de sal. Se encontró que la densificación incrementa con el aumento de la temperatura, los valores de la energía de activación son semejantes para los distintos sistemas. Los mecanismos de fractura están vinculados a la relación entre el cuello y el tamaño de partícula. El análisis por microtomografía permite analizar que se tiene una interconectividad completa por encima del 20% en volumen de sales. Mientras que la permeabilidad de las muestras se vio influenciada por la fracción en volumen de poros y la forma de los poros. Así mismo se encontró que existe una estabilización de la fase ? del Ti conforme la adición de partículas de Ta incrementa.