Laser surface remelting of sintered Ti-Nb alloys

Orientador: João Batista FogagnoloDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O interesse em ligas do sistema titânio-nióbio para aplicações ortopédicas se deve à excelente resistência mecânica e biocompatibilidade, sendo que o módulo de elasticidade pode ser controlado pelo teor de nióbio. Existem diversos processos que podem tornar estas ligas adequadas para uso como biomaterial e que resultam em diferentes fases com diferentes propriedades. O presente trabalho teve como objetivo modificar peças sinterizadas de ligas do sistema titânio-nióbio por refusão superficial por laser. Foram utilizadas ligas com diferentes composições químicas, variando-se o teor de nióbio de 5 a 45% em peso. Foram analisados os efeitos da variação dos parâmetros de processamento, potência e velocidade de deslocamento do feixe laser, sobre a morfologia de cordões isolados. Foram obtidas camadas contínuas de refusão por sobreposição de cordões de isolados. As amostras sinterizadas com teores de nióbio entre 5 e 20% apresentaram as fases ? e ?. A amostra com teor de nióbio de 25% e maiores apresentam regiões com fase ? completamente estabilizada e regiões com as fases ? e ? devido à heterogeneidade química na distribuição de nióbio. A amostra com teor de nióbio de 45% apresenta apenas a fase ?, porém também se observa nessa amostra a heterogeneidade na distribuição de nióbio. Constatou-se que a potência do feixe de laser é o parâmetro de maior influência na morfologia e dimensões da zona fundida dos cordões isolados. Dependendo do teor de nióbio, diferentes fases são formadas nas camadas continuas de refusão. Para teor de nióbio de 5%, obtém-se a fase martensítica ?', de estrutura hexagonal. Para teor de nióbio de 15%, obtém-se majoritariamente a fase ?' com presença da fase martensítica ortorrômbica ?''. Para teor de nióbio de 25%, obtém-se a fase ?'', com pequena fração de fase ?. Para teor de nióbio de 35 e 45%, obtém-se a fase ? em toda a zona fundida e a fase ?'' na zona termicamente afetada. Tanto os cordões isolados como as camadas refundidas das amostras com teores de 15, 25, 35 e 45% em peso de nióbio apresentaram heterogeneidade química devido à microssegregação de soluto durante a solidificação. Os valores de módulo de elasticidade medidos por nanoindentação foram decrescentes para aumentos da quantidade de nióbio, tanto nas zonas modificadas pelo laser quanto no substrato sinterizado. Os valores de nanodureza mantiveram-se constantes, dentro da variação estatística dos resultadosAbstract: The interest in alloys of the titanium-niobium system for orthopedic applications is due to their excellent mechanical resistance and biocompability, as the elastic modulus may be controlled by niobium content. There are several processes that can make those alloys adequate to be used as biomaterials and that result in different metallic phases with different properties. The objective of this study was to modify, by laser surface remelting, sintered parts of alloys from the titanium-niobium system. Alloys with different chemical compositions were used; the niobium content varied from 5 to 45wt%. The effects of the variation of processing parameters (laser beam power and scan speed) on the morphology of the isolated tracks were analyzed. Continuous remelting layers were obtained by overlapping isolated tracks. The sintered samples with niobium content between 5 and 20% exhibited both ? and ? phases. The sample with a niobium content of 25% or more had regions of completely stabilized ? phase and regions of ? and ? phases due to the chemical heterogeneity in the niobium distribution. The sample with a 45% niobium content showed only the ? phase, but heterogeneity in the niobium distribution is also seen. It was found that the laser beam power is the parameter that most influences the morphology and dimensions of the molten area of isolated tracks. Depending on the niobium content, different phases are formed in the continuous remelting layers. For a niobium content of 5%, the martensitic ?' phase of hexagonal structure is obtained. For a niobium content of 15%, the ?' phase is mostly obtained, with the presence of orthorhombic, martensitic ?'' phase. For a niobium content of 25%, the ?'' phase, with a small fraction of ? phase, is obtained. For niobium contents of 35 and 45%, ? phase throughout the molten area and ?'' phase in the heat affected zone are obtained. Both the isolated tracks and the continuous remelting layers on the samples with niobium weight contents of 15,25,35 and 45wt% presented chemical heterogeneity due to solute microsegregation during solidification. The values of elastic modulus measured by nanoindentation decreased as the niobium content increased, both in the laser modified zones and in the sintered substrates. The values of nanohardness remained constant within the results' statistical variationMestradoMateriais e Processos de FabricaçãoMestra em Engenharia Mecânic