Estudio de la evolución microestructural de la aleación base titanio Ti-13Ta-xCu (x = 1, 3, 5, 7 wt%) obtenida por aleado mecánico

Abstract

Titanium-based alloys have proven to be efficient as hip orthopedic implants, therefore, one of the desired properties in a culmination is to match the Young's Modulus of the bone. The β phase of titanium is undoubtedly necessary to obtain mechanical and biocompatible properties with the human body; however, the stabilizer alloying elements of the β phase, such as vanadium and chromium, represent a disadvantage, since various studies confirm their relationship to degenerative diseases such as Alzheimer's, due to the release of ions into the body. On the other hand, the gamma phase of titanium has favorable mechanical properties, such as high strength and ductility, making it suitable for applications where a combination of strength and deformability is required. In the present research work, an alloy based on titanium for biomaterials was successfully obtained, the alloy: Ti-13Ta-xCu (x = 1, 3, 5, 7% wt), through the synthesis technique by Mechanical Milling, called Mechanical Alloy (AM), in a high energy planetary mill. The methodology consisted of placing high purity titanium, tantalum and copper elemental powders inside the mill. Stearic acid was added as a lubricant (~2% vol) and milled for 5, 15, 50 and 100 consecutive hours for each composition; and respective samples were taken to analyze their microstructural evolution. Subsequently, the powders obtained by various characterization techniques were analyzed in the following order: XRD, Refinement by Rietveld FESEM + EDS, TEM and HRTEM. In the analysis, the presence of α, β, γ phases of titanium stands out, as well as a solid solution of the TiTaCu alloy for percentages of 3 and 5% wt of Cu.

Las aleaciones base titanio han probado ser eficientes como implantes ortopédicos de cadera, por lo cual, una de las propiedades deseadas en una aleación es coincidir con el Módulo de Young del hueso. La fase β del titanio es sin duda necesaria para obtener propiedades mecánicas y biocompatibles con el cuerpo humano; sin embargo, los elementos aleantes estabilizadores de la fase β, tales como vanadio y cromo, representan una desventaja, pues diversos estudios confirman su relación a enfermedades degenerativas como Alzheimer, debido a la liberación de iones al cuerpo. Por otra parte, la fase gamma del titanio tiene propiedades mecánicas favorables, como alta resistencia y ductilidad, lo que la hace adecuada para aplicaciones en las que se requiere una combinación de resistencia y capacidad de deformación. En el presente trabajo de investigación se logró obtener una aleación de un biomaterial base titanio, la aleación: Ti-13Ta-xCu (x = 1, 3, 5, 7 %wt), mediante la técnica de síntesis por Molienda Mecánica, llamada Aleado Mecánico (AM), en un molino planetario de alta energía. La metodología consistió en colocar los polvos elementales de titanio, tántalo y cobre de alta pureza dentro del molino. Se adicionó acido esteárico como lubricante (~ 2% en vol.) y se molió durante tiempos de 5, 15, 50 y 100 horas consecutivas para cada composición; y se tomaron muestras respectivas para analizar su evolución microestructural. Posteriormente se analizaron los polvos obtenidos mediante diversas técnicas de caracterización en el siguiente orden: DRX, Refinamiento por Rietveld FESEM + EDS, TEM y HRTEM. En el análisis y discusión de los resultados, se destaca la presencia de fases α, β, γ del titanio, así como solución solida de la aleación TiTaCu para porcentajes de 3 y 5% wt de Cu.