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metadata.dc.type: Dissertação
Title: Modificações estruturais e mecânicas de superfície em ligas titânio-nióbio por imersão em plasma
metadata.dc.creator: Valadão, Guilherme Moreira
metadata.dc.contributor.advisor1: Souza, Gelson Biscaia de
metadata.dc.contributor.referee1: Lepienski, Carlos Maurício
metadata.dc.contributor.referee2: Grandini, Carlos Roberto
metadata.dc.description.resumo: As ligas de Ti-Nb têm ganhado destaque nas últimas décadas devido a propriedades tais como baixa densidade, boa biocompatibilidade, efeito de memória de forma, e baixo módulo de elasticidade, além de não serem tóxicas ou alérgicas aos organismos vivos. No entanto, um de seus problemas é a baixa resistência ao desgaste. Visando-se obter superfícies mais resistentes, investigou-se a nitretação por plasma DC em ligas de Ti-Nb contendo 10, 25 e 35 %p. de Nb, previamente solubilizadas, nas temperaturas de 600, 700, 800 e 900 oC em atmosfera 60% N2 e 40% H2, durante duas horas. Os efeitos da temperatura sobre a estrutura e propriedades mecânicas do substrato foram avaliados em amostras tratadas termicamente (TT) na mesma câmara de nitretação, porém protegidas por máscaras de alumina. Os materiais foram caracterizados por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de raios X por energia dispersiva e nanoindentação. Observou-se a forte dependência estrutural e microestrutural do volume do material com a temperatura de nitretação e a fração de nióbio da liga, as quais regeram de modo complexo as propriedades mecânicas deste e do conjunto da camada / substrato. A tendência geral foi de queda na dureza e aumento do módulo de elasticidade dos substratos em comparação à condição solubilizada devido, principalmente, à razão entre as fases alfa e beta e presença das fases ômega e martensíticas. O tratamento térmico em 700 °C, um pouco acima da transição para a fase β das ligas Ti25Nb e Ti35Nb (~680 e 630 oC, respectivamente) resultou em módulos de elasticidade menores que os obtidos para a amostra solubilizada. A nitretação produziu camadas de nitretos (TiN, Ti2N) de alta dureza e módulo de elasticidade em profundidades de até 1 μm. Os melhores resultados foram obtidos na liga Ti10Nb, cujos valores de dureza superficial foram de duas a quatro vezes maiores que os observados após os TT devido à formação de uma camada intermediária de αN com ~4 μm de espessura. Porém, na amostra Ti25Nb nit92, a sinergia entre difusão de nitrogênio e temperatura resultou na diminuição da dureza logo abaixo da camada de nitretos em relação ao substrato apenas submetido ao TT. O parâmetro H/Er (dureza / módulo reduzido), que é um indicativo da resistência ao desgaste, elevou-se em todas as amostras nitretadas em comparação àquelas apenas com TT, com as amostras com 10%p. de Nb apresentando também os melhores resultados. No quesito do módulo de elasticidade, a liga Ti25Nb nitretada apresentou os valores mais baixos, mesmo com a formação de camadas de nitretos finas, e atingido menores valores de H/Er. Conclui-se que a obtenção de camadas protetoras eficientes por métodos assistidos por plasma em ligas Ti-Nb exige a escolha cuidadosa de parâmetros para se garantir as propriedades de volume adequadas para aplicações biomédicas.
Abstract: In the last decades, Ti-Nb alloys have received increasing attention due to interesting properties such as low density, good biocompatibility, shape memory effect, low elastic modulus, and absence of toxic or allergenic effects to the human body. However, these materials present low wear resistance. In this context, the DC plasma nitriding was employed in previously solubilized Ti-Nb alloys containing 10, 25 and 35 %wt niobium. The treatments were carried out at 600, 700, 800 e 900 oC under 60% N2 and 40% H2 atmosphere for two hours. Additional samples, masked with alumina sheets, were annealed (thermally treated - TT) in the same plasma chamber in order to probe the temperature effects on the structure and mechanical properties of the bulks. The employed characterization methods were X-ray diffraction, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and nanoindentation. The alloys disclosed a strong structural and microstructural dependence with the nitriding temperatures and niobium fractions, which intricately ruled the mechanical properties of both bulks and layer/substrate systems. The overall tendency was the decrease of hardness and increase of elastic modulus due to the α/β ratios and the presence of ω and martensitic phases. Annealings at 700 °C, slightly above the transus for the Ti25Nb and Ti35Nb (T~680 and 630 oC, respectively) yielded lower elastic moduli than the onlysolubilized conditions. The nitriding produced nitride layers (TiN, Ti2N) with high hardness and elastic modulus, with thicknesses up to 1 m. The Ti10Nb alloy presented the best results, whose surface hardness values were two- to fourfold higher than the TT substrate due to a 4 m thick N layer underneath the compound one. Also observed were the reduction of hardness at a region right below the nitrided layer in the Ti25Nb nit92 sample in comparison to the TT substrate, due to a synergistic nitrogen diffusion and heating interaction. The parameter H/Er (hardness / reduced modulus), which is an indicative of the material´s wear resistance, increased in all the nitrided surfaces as compared to the only-TT ones. Again, the 10%wt niobium samples showed the highest values. Regarding elastic modulus, the nitrided Ti25Nb alloy reached the overall lowest values, but with thin nitride layers and low H/Er. It is concluded that the formation of effective protection layers by plasma-based methods requires a careful choice of parameters in order to ensure the necessary Ti-Nb bulk properties for biomedical applications.
Keywords: titânio
nióbio
Modificação de superfícies
descarga luminosa
biomateriais
índice de plasticidade
titanium
niobium
surface modification
glow discharge
biomaterials
plasticity index
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Estadual de Ponta Grossa
metadata.dc.publisher.initials: UEPG
metadata.dc.publisher.department: Departamento de Física
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciências
Citation: VALADÃO, Guilherme Moreira. Modificações estruturais e mecânicas de superfície em ligas titânio-nióbio por imersão em plasma / Guilherme Moreira Valadão. 2021. Dissertação (Mestrado em Ciências) -Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2021.
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: http://tede2.uepg.br/jspui/handle/prefix/3402
Issue Date: 19-May-2021
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