Orientador: João Batista Fogagnolo

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica

Resumo: Por desempenharem papel crítico na recuperação de pacientes submetidos a procedimentos cirúrgicos, os biomateriais empregados em implantes ortopédicos requerem excelentes propriedades mecânicas e de fadiga. O titânio e suas ligas são bastante empregados na produção desses implantes, e suas...

Resumo: Por desempenharem papel crítico na recuperação de pacientes submetidos a procedimentos cirúrgicos, os biomateriais empregados em implantes ortopédicos requerem excelentes propriedades mecânicas e de fadiga. O titânio e suas ligas são bastante empregados na produção desses implantes, e suas propriedades derivam de suas formas alotrópicas, fase ß e fase "alfa". Quando resfriada rapidamente, a fase ß pode ser retida em temperatura ambiente, a qual apresenta módulo de elasticidade mais baixo em comparação com a fase ß do titânio. Na presente tese, propõe-se empregar as técnicas de fusão superficial a laser, ou LSM, e de formação de liga a laser, ou LSA, visando melhorar as propriedades mecânicas e de fadiga de peças de titânio. Na técnica de LSA, utilizou-se o feixe de laser para formação da liga de titânio-nióbio (Ti-Nb) na superfície empregando densidades de energia de 40, 60 e 80 J/mm². Através da técnica de microscopia confocal, avaliou-se a influência desse parâmetro nos aspectos de formação da camada modificada. Foram determinadas a composição e as fases presentes nas superfícies processadas por LSA empregando as técnicas de difração de raios-x, espectroscopia por energia dispersiva de raios-x e microscopia eletrônica de varredura. As propriedades dessas superfícies foram medidas por nanoindentação instrumentada e microdureza. Para fins de comparação, as superfícies processadas por LSM foram caracterizadas pelas técnicas de difração de raios-x, microscopia óptica, microscospia confocal e microdureza. Além disso, as tensões residuais das amostras de ambas as técnicas de processamento a laser foram medidas pelo método do furo cego. Mediante as análises feitas, verificou-se que a adição de Nb por meio da técnica de LSA levou a estabilização das fases ß e alfa", o que causou a redução do módulo de elasticidade da camada modificada. Observou-se ainda que, quanto às tensões residuais, as superfícies tratadas pela técnica de LSM apresentaram tensões trativas, enquanto as superfícies modificadas pela técnica de LSA apresentaram tensões compressivas na superfície. Apesar das tensões residuais compressivas, os resultados dos ensaios de fadiga indicaram redução da resistência à fadiga das amostras de LSA em relação ao material não processado a laser e uma melhora no desempenho em fadiga das amostras de LSM. Justifica-se os resultados apresentados a possível influência de fases menos dúcteis, tal como a fase omega", na fragilização das amostras de LSA e do aumento da resistência mecânica nas amostras de LSM

Abstract: Because of the critical role in the recovery of patients undergoing surgical procedures, biomaterials used in orthopedic implants require excellent mechanical and fatigue properties. Titanium and its alloys are widely used to fabricate implants, and their properties derive from their...

Abstract: Because of the critical role in the recovery of patients undergoing surgical procedures, biomaterials used in orthopedic implants require excellent mechanical and fatigue properties. Titanium and its alloys are widely used to fabricate implants, and their properties derive from their allotropic phases, ß phase and "alfa" phase. When cooled rapidly, the ß phase can be retained at room temperature, which has a lower elastic modulus compared to the ß phase. In this thesis, it is proposed to employ laser surface melting (LSM) and laser surface alloying (LSA), aiming to improve the mechanical and fatigue properties of titanium parts. In the LSA, the laser beam was used to form a titanium-niobium (Ti-Nb) alloy on the surface using energy densities of 40, 60 and 80 J / mm². The influence of this parameter on the formation aspects of the modified layer was evaluated by confocal microscopy. The composition and phases on surfaces processed by LSA were determined using x-ray diffraction, energy dispersive x-ray spectroscopy and scanning electron microscopy. The properties of these surfaces were measured by instrumented nanoindentation and microhardness. For comparison, the surfaces processed by LSM were characterized by x-ray diffraction, optical microscopy, confocal microscopy and microhardness. In addition, the residual stresses of the samples were measured by the hole-drilling method. From the analyzed results, it was found that the Nb addition by LSA led to the stabilization of the phases ß and "alfa", which caused the reduction of the modulus of elasticity of the modified layer. In addition, the surfaces treated by the LSM showed tensile residual stresses, while the modified surfaces obtained by the LSA showed compressive stresses. Despite the compressive residual stresses, the results of the fatigue tests indicated a reduction in the fatigue strength of the LSA samples in comparison with the material unprocessed by laser and an improvement in the fatigue performance of the LSM samples. These results are probably due the influence of low ductile phases, such as "omega" phase, on the embrittlement of the LSA samples and the increase of the mechanical resistance in the LSM samples

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