Tribological behaviour of titanium based biocomposites

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de MateriaisO titânio é um dos materiais mais usados em implantes biomédicos, devido às suas propriedades mecânicas, resistência à corrosão e biocompatibilidade. No entanto, o titânio apresenta algumas desvantagens, sendo que, a mais relevante é a baixa resistência ao desgaste. Devido a esse facto, existe libertação de produtos de desgaste e de iões metálicos para o corpo humano, que pode provocar infeções, levando à falha do implante. Os compósitos de matriz de titânio surgem como um método eficaz para melhorar a resistência ao desgaste do titânio. Quando uma carga é aplicada, essa carga é transferida da matriz para as partículas de reforço através da interface, fazendo com que as partículas duras suportem a carga aplicada, levando a um aumento da dureza e da resistência ao desgaste dos compósitos relativamente ao material não reforçado. O presente trabalho tem como principal objetivo melhorar as propriedades tribológicas do titânio. Para isso, foram processados compósitos de matriz de Ti reforçados com Al2O3 através da técnica de metalurgia dos pós. De maneira a avaliar as propriedades tribológicas, foram efetuados testes de desgaste em regime alternativo, numa solução com a constituição de 0,9% em peso de NaCl. O efeito da adição de partículas de Al2O3, carga normal, frequência e tempo de deslizamento no comportamento ao desgaste, para o titânio e para o compósito, foi estudado usando o método 24 full factorial design. A influência dos fatores e das duplas interações nos valores médios da largura das pistas de desgaste e no volume de desgaste foram estudados. Os resultados mostram que foi formada uma zona de reação entre a matriz e o reforço, contendo os compostos Ti3Al e TiAl, indicando uma boa ligação na interface. Da análise estatística ao comportamento ao desgaste é possível concluir que, os fatores mais importantes na largura das pistas de desgaste são a carga normal e a frequência. Relativamente ao volume de desgaste, os fatores mais importantes são a carga normal e a frequência, sendo que, a interação entre o volume de reforço e a carga normal é também estatisticamente significativa. Através da caracterização microestrutural, química e topográfica das superfícies desgastadas, conclui-se que os mecanismos de desgaste presentes no sistema são uma combinação de desgaste por abrasão, adesão e triboquímico. A fragmentação das partículas de reforço durante o deslizamento, foi considerado o fator chave para a não obtenção de uma melhoria estatisticamente significativa, na resistência ao desgaste do titânio após a adição das partículas de Al2O3.Titanium is one the most widely used material for biomedical applications due to their mechanical properties, corrosion and biocompatibility. However, titanium has some disadvantages, the most important is the low wear resistance. Due to this fact, there is release of wear products and metal ions which can cause infections leading to implant failure. Reinforcing titanium with hard ceramic phases appears as a method to improve wear resistance of monolithic titanium. When a load is applied, this load is transferred from the matrix to the reinforcing particles through the interface. In this process the hard particles support the applied load, which result in increased hardness and also increased wear resistance on the composite as compared to the unreinforced material. This work aimed to improve the tribological properties of titanium. Titanium based composites reinforced with Al2O3 particles were processed by powder metallurgy. Tribological behavior of the composites was investigated by reciprocating wear tests in 0.9%Wt of NaCl solution. The effect of Al2O3 particle addition, normal load, frequency and sliding time in the wear behavior for titanium and the composite was studied using 24 full factorial design method. The influence of factors and double interactions in the average values of the thickness of the wear track and the wear volume were studied. Results showed that a reaction zone is formed between the matrix and the reinforcement containing Ti3Al and TiAl compounds, which is indicative of a good bonding on the interface. By the statistical analysis of the wear behavior it can be suggested that the most important factors in the thickness of the wear tracks are the normal load and frequency. Regarding the wear volume, the most important factors are the normal load and frequency, moreover the interaction between the reinforcement volume and normal load is also statistically significant. By the microstructural, chemical and topographical characterization of worn surfaces, it is concluded that the wear mechanisms presents in the system are a combination of abrasive wear, adhesive wear and tribochemical wear. The fragmentation of the reinforcement particles during sliding was considered as the key factor for not obtaining a statistically significant improvement on the wear resistance of titanium after Al2O3 particle addition