EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE PROCESAMIENTO EN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y MICROESTRUCTURAL DE ESPUMAS DE TITANIO BIMODAL

Abstract

Factores como una expectativa de vida alta y sedentarismo, sugieren un incremento en los casos de enfermedades degenerativas. Producto de esto se han impulsado una serie de estudios, en diversas áreas, que buscan analizar el comportamiento de los biomateriales utilizados en sustitución ósea. El titanio comercialmente puro (titanio c.p.) y aleaciones de Ti-6Al-4V, han demostrado ser los materiales con mejor comportamiento in-vitro e in-vivo debido a sus excelentes propiedades mecánicas, buena resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. A pesar de esto, su módulo de elasticidad, mucho mayor al del hueso, genera problemas como el apantallamiento de tensiones (stress-shielding) que promueve la reabsorción ósea. Además, los implantes de titanio se ven rodeados por una delgada película de tejido fibroso, lo que puede producir aflojamiento. El objetivo de este estudio es analizar el efecto de la porosidad y la microestructura bimodal, sobre las propiedades efectivas de las espumas de titanio c.p grado 4. Se cree que la nueva matriz bimodal mejorará la funcionalidad estructural y mecánica de la matriz porosa, gracias a la combinación de resistencia y ductilidad. Para ello, se empleó pulvimetalurgia mediante la técnica de espaciadores (space-holders technique) y sinterizado por hot-pressing. La microestructura bimodal se obtiene mezclando distintos tamaños de partículas, una parte de titanio en estado de recepción y otra de titanio molido. La molienda mecánica del titanio se realiza en un molino planetario, en ciclos de 10 y 20 [h], empleando medios molienda de óxido de circonio, con una razón de bolas/polvo de 10:1 en una atmósfera controlada de argón. Se encontró que a medida que se aumentan las horas de molienda, el tamaño de partícula de los polvos disminuye y se produce un cambio en la morfología. Luego de la molienda, los polvos se mezclan en una proporción de 0, 50 y 75 [%] del volumen, variando el porcentaje y tipo de espaciador, empleando cloruro de sodio (NaCl) y bicarbonato de amonio ((NH4)2C03), en un 0, 40, 50 y 60 [%] del volumen. La caracterización microestructural se realiza mediante microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido (SEM) y comprende el estudio del tamaño, tipo, morfología, distribución y proporción de la porosidad total e interconectada. Se observó una distribución heterogénea de la porosidad y una reducción del tamaño medio de poro producto del sinterizado. También se detectaron tres zonas características, que están relacionadas con la distribución de los distintos tamaños de partículas incluidos en la matriz. La porosidad y densidad se midió con el método de Arquímedes. Se comparó el volumen de las muestras, antes y después del sinterizado para determinar el porcentaje de contracción. Respecto a las propiedades mecánicas, el esfuerzo de fluencia se determina con ensayos de micro-dureza Vickers [HV] obteniendo valores entre los 220 y 450 [MPa], encontrándose un mejor desempeño en muestras con polvo molido 20 [h]. El módulo de elasticidad se estimó usando la relación de Nielsen, con resultados entre los 70 y 100 [GPa]. Finalmente, se analizaron los costos de emplear polvos molidos por mayor cantidad de tiempo y en una mayor proporción

Factors such as a high life expectancy and sedentary lifestyle suggest an increase in degenerative diseases. As a result of this, a series of studies have been promoted, to analyze the behavior of biomaterials used for bone replacement. Titanium c.p. and Ti-6Al-4V alloys have proven to be the best performing materials due to their excellent mechanical properties, good corrosion resistance, and biocompatibility. Despite this, its modulus of elasticity, much higher than that of bone tissue, generates problems such as stress-shielding that promotes bone reabsorption. Additionally, titanium implants are surrounded by a thin coat of fibrous tissue, which can lead to implant loosening. The objective of this study is to analyze the effect of porosity and bimodal microstructure on the effective properties of titanium c.p. (grade 4) foams. It is that the new bimodal matrix would improve the structural and mechanical functionality of the porous matrix, due to the combination of strength and ductility. To achieve this, powder metallurgy was used using the space holder’s technique and hot-pressing sintering. The bimodal microstructure is obtained by mixing different sizes of particles: as-received Ti powder and mechanically milled titanium powders. The mechanical milling of titanium was carried out in a planetary mill, in cycles of 10 and 20 [h], with a zirconium oxide medium and 10:1 ball/powder ratio at a controlled argon atmosphere. When increasing milling hours, a decrease in particle size was found, which generated changes in morphology. After milling the powders are mixed in a volumetric proportion of 0, 50 and 75 [%], varying the volumetric percentage and type of spacer holders, using sodium chloride (NaCl) and ammonium carbonate ((NH4)2C03), at a 0, 40, 50 and 60 [%]. Microstructural characterization is carried out using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) and includes the study of the size, type, morphology, distribution, and proportion of total and interconnected porosity. Heterogeneous distribution of porosity and a reduction in the mean pore size as a result of sintering was observed. Also, three characteristic zones were detected, which are related to the distribution of the different particle sizes included in the matrix. Porosity and density were measured with the Archimedes method. The volume of the samples, before and after sintering, was compared to determine the percentage of shrinkage. Regarding the mechanical properties, the yield stress is determined by using Vickers micro-hardness [HV] obtaining values between 220 and 450 [MPa], finding a better performance in samples with 20 [h] ground powder. The modulus of elasticity is calculated using the Nielsen relation, with results between 70 and 100 [GPa]. Finally, the costs of occupying dust with more grinding time and in a greater proportion were analyzed