The use of laser surface modification to obtain hardness and stiffness gradients in titanium parts

Orientador: João Batista FogagnoloTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O titânio e suas ligas apresentam propriedades interessantes do ponto de vista tecnológico, tais como alta razão resistência/peso, alta resistência à corrosão, baixo módulo de elasticidade e boa biocompatibilidade, motivos pelos quais são muito empregados na fabricação de implantes ortopédicos, cujas falhas são frequentemente devidas à ação conjunta de fenômenos de fadiga, corrosão e desgaste. Assim, visando aumentar o desempenho em relação a tais fenômenos, modificações superficiais são realizadas em componentes de titânio e suas ligas. Muitos dos esforços realizados nessa área relatam modificações superficiais em titânio e suas ligas que visam aumentar a resistência ao desgaste e à corrosão, enquanto que outros se focam em metodologias para aumento da resistência à fadiga. No entanto, a grande maioria das alternativas disponíveis para aumentar a resistência ao desgaste e à corrosão são contraproducentes em relação à resistência à fadiga. A obtenção de revestimentos em componentes de titânio com menor módulo de elasticidade e maior dureza pode vir a atender à necessidade de aumento da resistência à fadiga conjuntamente com aumento da resistência ao desgaste ou à corrosão. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo o estudo do processo de obtenção de ligas na superfície a laser com camada de pó pré-depositada, viabilizando a adição de elementos biocompatíveis e estabilizadores de fases de menor módulo de elasticidade. Por meio do controle dos parâmetros de processo, objetiva-se introduzir elementos de liga betagênicos, em quantidade suficiente para estabilizar as fases ? e/ou ?¿¿ do titânio. Inicialmente, estudou-se alternativas de processamento sob condições de maior controle da atmosfera de processamento, visando diminuir a contaminação do revestimento por oxigênio e nitrogênio. Foram obtidos cordões individuais da liga Ti-Nb sobre substrato de titânio comercialmente puro, nos quais, dependendo das condições de processo, foram obtidas fases com menor módulo de elasticidade, com significativo aumento de dureza em relação ao substrato, e isentos de fases formadas devido a contaminação por oxigênio e nitrogênio. Em um equipamento especialmente construído para esse fim, fez-se um estudo mais detalhado da influência dos parâmetros de processo, como potência do laser, composição e espessura da camada de pó pré-depositada, sobre as características morfológicas, estruturais e microestruturais e a consequente alteração do módulo de elasticidade e dureza do revestimento. Observou-se as diferentes relações entre os parâmetros de processo com características como o teor do elemento de liga introduzido na zona de fusão, necessário para a estabilização das fases com menor módulo de elasticidade. Foi possível a obtenção de revestimentos com módulo de elasticidade cerca de 30% menores que o do substrato e aumentos de dureza em torno a 100%, comprovando a capacidade da técnica de produzir componentes com gradientes de módulo de elasticidade e durezaAbstract: Titanium and its alloys have interesting properties from a technological point of view, such as high strength-to-weight ratio, high corrosion resistance, low Young¿s modulus and good biocompatibility, what make them useful in the manufacturing of orthopedic implants, whose failures are often due to jointed action of fatigue, corrosion and wear phenomena. Thus, to increase their performance in these phenomena, surface modifications are realized in titanium components and their alloys. Many of the efforts in the surface modification area of titanium and its alloys are aimed to increase wear and corrosion resistance, whereas others focus on methods to increase the fatigue strength. However, most of the alternatives available to increase to wear and corrosion resistance are counterproductive with respect to the fatigue strength. Surface coating of titanium components with higher hardness and lower Young¿s modulus may come to meet higher fatigue strength with increased wear and corrosion resistance. In this context, this work aims to study the laser surface alloying with preplaced powder technique, enabling the addition of biocompatible elements, which should be stabilizers of lower Young¿s modulus phases. By controlling the process parameters, a suitable amount of betagenic alloying element, enough to stabilize the ? and / or ?'' phases, was introduced. Initially, the use of alternatives for greater control of the processing atmosphere were tried in order to reduce contamination of the modified layer by oxygen and nitrogen. Depending on the process parameters, less-rigid phases relative to the substrate were obtained, free of phases formed due to contamination of oxygen and nitrogen. In an especially equipment constructed for this purpose, a more detailed study of the influence of process parameters was made, such as laser power, composition and thickness of the pre-deposited layer of powder on morphological, structural and microstructural characteristics and the consequent changing in Young¿s modulus and hardness of the modified layer. It was observed different relationships between process parameters and features such as the alloy content introduced into the fusion zone. It was obtained a coating with Young¿s modulus about 30% lower and hardness about 100% higher than that of the substrate, demonstrating the ability of laser surface alloying to produce components with gradients of Young¿s modulus and hardnessDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânica33003017CAPE