Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Mecânica Estudo do Biomaterial Ti-6Al-4V...
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Universidade Estadual de CampinasFaculdade de Engenharia Mecânica
Estudo do Biomaterial Ti-6Al-4V Empregando técnicas eletroquímicas e XPS
(Ivan Ramires e Antonio Carlos Guastaldi)
Crystopher Brito
Nathália C. Veríssimo
Matéria: IM 314 – Corrosão Metálica
Introdução
• Ligas de Ti são usadas em setores como:• Espaciais, ortopédico e ortodôntico.
• Possuem boas propriedades como:• Alta tensão específica • Boa resistência à corrosão • Baixa densidade • Boa resistência à oxidação em temperaturas menores do que
600 °C.
Introdução
• Produtos de corrosão são os principais responsáveis pelo comprometimento da biocompatibilidade
• Biocompatibilidade deve ser local e sistêmica.
• Materiais utilizados para implantes tem que ser capazes de suportar esforços mecânicos e ambientes agressivos.
• Placa bacteriana, saliva, fluidos fisiológicos,
• Ligas aplicadas como biomaterial:• Cobalto – Cromo (Próteses parciais e ortopédicas)• Aços inoxidáveis (aparelhos ortodônticos)• Ligas de titânio (implantes dentários e ortopédicos)
Introdução
Implante com recobrimento cerâmico de hidriapatita.
Microscopia eletrônica de varredura da superfície de um mini-implante ortodôntico de Ti-6Al-4V.
Introdução
• Estudos realizados:
– Mueller e Greenes: estudo do comportamento de corrosão.– Hoar e Mears: estudo de resistência a corrosão em ligas de implante.– Solar et. al.: Caracterização de filmes formados na superfície do
titânio em solução de Ringer.– Speck e Fraker: estudo do comportamento de corrosão Ni-Ti e da liga
Ti-6Al-4V em solução de Hank.– Okasaki: estudo de corrosão de liga em implantes utilizando vários
meios.– Breme: estudo do Ti puro e da liga Ti-6Al-4V em NaCl 0,15 mol/L.– Pouilleau: avaliação dos filmes formados sobre o substrato de titânio.
Introdução
• Objetivo da pesquisa (artigo):• Avaliação de resistência a corrosão da liga Ti-6Al-4V.
• Avaliação do filme formado antes e após os ensaios de polarização.
• Técnica usada:– Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS).
Materiais
• Liga: Ti-6Al-4V
• Solução de imersão: NaCl 0,15 mol/L.
• Célula eletroquímica com três eletrodos.• Eletrodo de trabalho: a liga Ti-6Al-4V em forma de chapa.• Eletrodo de referência: calomelano saturado (ECS).• Contra-eletrodo: eletrodo de platina.
Materiais
• Potenciostato • Marcas: Solartron SI 1287 e EG&G Princeton modelo 273 A.
• Microscópio eletrônico de varredura.• Marca: JEOL-JSM, Modelo: T-330A.
• Espectromicroscópio (XPS): • Marca: Kratos Analytical, Modelo: XSAM HS
Métodos: Tratamento térmico
712ºC /30 minutos
Curvas de polarização potenciodinâmica
Ensaios de voltametria cíclica
Acompanhamento: MEV e XPS
Acompanhamento: MEV e XPS
Métodos:
• Construção da célula eletroquímica.
• Ti-6Al-4V escolhido como eletrodo de trabalho.• Polimento (politriz elétrica)• Pano embebido em alumina com granulação de 1 – 0,3
micrômetros.
• Ensaios eletroquímicos:• Após da imersão em NaCl 0,15 mol/L.• Simulação da agressividade do corpo humano.
Métodos:
- Obtenção dos espectros:- Passagem de energia do analisador: 80 eV.- Espectros de alta resolução: 20 eV.
- Parâmetros do equipamento:• Pressão utilizada: 5,0. 10-7 a 1,0.10-6 Pa.• Potência do feixe de raios X: 180W.• Emissão de 15 mA e voltagem de 12 KV.• Referência: energia de ligação do carbono no valor de 284,8 eV do
hidrocarbonetos C-C e C-H.
- As análises foram feitas em ultra-alto vácuo com pressão na faixa de 5x10-7 a 1x10-6 Pa.
Resultados: Polarização
Resultados: Polarização
Ecorr
Resultados: Polarização
Passivação
Resultados: Polarização
Resultados: MEV
Antes da polarização Depois da polarização
Mudança na superfície da amostra devido ao crescimento de uma camada de óxido.
Resultados: VoltamogramaResultados: Voltamograma
Resultados: Voltamograma
Pico de oxidação
Curva anódica
Curva catódica
Pico relacionado a oxidação do H2
adsorvido na rede cristalina do Ti
Ocorrência de adsorção: aplicação de potenciais próximos aos de descarga do H2.
Resultados: Voltamograma
Região de ativação
Curva anódica
Curva catódica
Na região de ativação pode ocorrer uma pequena dissolução metálica.
Resultados: Voltamograma
Faixa de estabilidade da corrente elétrica
Curva anódica
Curva catódica
Crescimento do filme de TiO, TiO2, Ti2O3 na superfície
Segundo pico anódico: relacionado com o aumento de espessura da camada de óxido na superfície.
Pico catódico
Resultados: Voltamograma
Corte de potencial em –0,4V Corte de potencial em –0,2V
Pico catódico começa a crescer após a região de ativação do material, aumentando com o potencial = redução de óxido de titânio na superfície.
Resultados: Voltamograma
A redução de óxido de titânio na superfície é explicado pela eletroredução parcial de Ti (IV) a potenciais próximos a reação de descarga de hidrogênio.
Corte de potencial em 0,8V Corte de potencial em 1,4V
Técnica: XPS Espectrometria de
Fotoelétrons Excitados
por Raios X (XPS)
• Técnica usada para obtenção de micrografias
• Utilização de elétrons de baixa energia (E < 1,5 KeV) como sonda.
Técnica: XPS
• Análise da utilizada para investigar a composição da camada superficial do material.
- Os caminhos livres médios destes fotoelétrons nos sólidos são de 0,5 nm a 2,0 nm, ou seja, apenas a superfície do material está sendo analisada.
• Identificação de elementos presentes é medido pela energia de ligação dos picos fotoelétricos.
• Cada elemento da tabela periódica possui uma energia característica entre si.
Técnica: XPS
• Fontes de luz:– UV: He I: Transição 21P1(1s12p1)-11S0(1s2) do He em 58.4 nm (21.22 eV)
He II: Transição 2p . 1s do íon He+ em 30.4 nm (40.81 eV)
– Raios X: K alfa Mg: 1253.7 eV e 1253.4 eV K alfa de Al: 1486.7 eV e 1486.3 eVRadiação sincotron.
• Uso do ultra alto vácuo:- Bombeamento de argônio.- Remove outros gases que foram absorvidos pela superfície da amostra.- Previne que haja formação de um arco elétrico.- Aumenta o caminho livre médio dos fotoelétrons.
Técnica: Gráficos de XPS antes da polarização
- Apresentam elementos da liga metálica (Ti, Al e V) e impurezas na superfície (Si e C).
- Gráfico em alta resolução para Ti- 2p. Aparecimento de TiO, TiO2, Ti2O3.
- Metal não está todo recoberto por filme de óxidos (formação de óxidos ao ar).
Técnica: XPSTécnica: Gráficos de XPS depois da polarização
- Possui na superfície somente picos de Titânio e impurezas como Si e C.
- Gráfico em alta resolução de Ti- 2p, onde aparece somente TiO2 na superfície da liga.
Conclusões:
• As curvas de polarização: • liga Ti-6Al-4V possui elevada resistência a corrosão.
• Micrografia:• O material não sofreu corrosão por pite.
• Não houve rompimento do filme até potenciais de 3V.
• Voltamogramas cíclicos:• Indicam um crescimentos de óxido de titânio que protege o material
contra a agressividade do meio.
Conclusões:
• Técnica de XPS:
– Antes dos ensaios de polarização:• O filme que é formado naturalmente, sem polarização é constituído
de uma variedade de óxidos e esse filme não recobre toda a superfície da amostra devido ao aparecimento de Ti, Al e V metálicos.
– Após ensaios de polarização:• Presença somente o óxido de titânio na superfície.