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.