Ligas beta Ti-Nb-Zr(-Ta-Mo) multiprincipais com baixo módulo de elasticidade
| Ano de defesa: | 2023 |
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Universidade Federal de São Carlos
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| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
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| Palavras-chave em Português: | |
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| Link de acesso: | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/18625 |
Resumo: | The use of Ti-6Al-4V alloy as a biomaterial is more convenient among Ti alloys, as it is produced on a larger scale due to aeronautical applications. However, it is known that Ti-6Al-4V alloy can be harmful to the patient’s health (due to the toxicity of Al and V) and it does not have the most adequate properties. Biomaterials’ scientific and technological development becomes necessary, especially those with application in orthopedics, once there is an increase in life expectancy. The metallic alloys currently used in Brazil have a modulus of elasticity (E) much higher than that of human bone (E = 10 to 30 GPa), such as steel (200 GPa), Co-Cr Alloys (220 GPa), Ti -6Al-4V (110 GPa) and, therefore, the search for alloys with better mechanical and chemical biocompatibility is necessary. The β-Ti (CCC) alloys show good mechanical (elasticity modulus, E = 44 to 80 GPa) and chemical (good corrosion resistance) biocompatibility. At present, the development of multicomponent, equimass, stable β-Ti alloys with medium and high entropy of the systems Ti-33Nb-33Zr, Ti-25Nb-25Zr-25Ta, Ti- 20Nb-20Zr-20Ta-20Mo (% weight ), in addition to alloys from the Ti-40Nb-xZr system with high Zr fractions and based on electronic parameters Bo and Md seeking an optimal value of modulus of elasticity (between 40 and 60 GPa). For the Ti-Nb-Zr ternary system, the new βTAP ratio (ternary alloy parameter) was determined and the higher its value, the lower the alloy’s modulus of elasticity. The Ti-40Nb-40Zr alloy showed the lowest modulus of elasticity (E = 42 GPa) in the rolled condition. The Ti-25Nb-25Zr-25Ta alloy showed better results in biological tests (adhesion and cell viability assay), and better combination of low modulus (E = 70 GPa) and high mechanical strength, making it possible to reconcile these properties in β multicomponent. |
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However, it is known that Ti-6Al-4V alloy can be harmful to the patient’s health (due to the toxicity of Al and V) and it does not have the most adequate properties. Biomaterials’ scientific and technological development becomes necessary, especially those with application in orthopedics, once there is an increase in life expectancy. The metallic alloys currently used in Brazil have a modulus of elasticity (E) much higher than that of human bone (E = 10 to 30 GPa), such as steel (200 GPa), Co-Cr Alloys (220 GPa), Ti -6Al-4V (110 GPa) and, therefore, the search for alloys with better mechanical and chemical biocompatibility is necessary. The β-Ti (CCC) alloys show good mechanical (elasticity modulus, E = 44 to 80 GPa) and chemical (good corrosion resistance) biocompatibility. At present, the development of multicomponent, equimass, stable β-Ti alloys with medium and high entropy of the systems Ti-33Nb-33Zr, Ti-25Nb-25Zr-25Ta, Ti- 20Nb-20Zr-20Ta-20Mo (% weight ), in addition to alloys from the Ti-40Nb-xZr system with high Zr fractions and based on electronic parameters Bo and Md seeking an optimal value of modulus of elasticity (between 40 and 60 GPa). For the Ti-Nb-Zr ternary system, the new βTAP ratio (ternary alloy parameter) was determined and the higher its value, the lower the alloy’s modulus of elasticity. The Ti-40Nb-40Zr alloy showed the lowest modulus of elasticity (E = 42 GPa) in the rolled condition. The Ti-25Nb-25Zr-25Ta alloy showed better results in biological tests (adhesion and cell viability assay), and better combination of low modulus (E = 70 GPa) and high mechanical strength, making it possible to reconcile these properties in β multicomponent.O uso da liga Ti-6Al-4V como biomaterial é mais conveniente dentre as ligas de Ti comerciais, já que é produzida em maior escala devido às aplicações aeronáuticas. Porém, sabe-se que essa liga pode ser prejudicial à saúde do paciente (pela toxicidade do Al e do V). Com o aumento da expectativa de vida, torna-se necessário o desenvolvimento científico e tecnológico dos biomateriais, principalmente daqueles com aplicação em ortopedia. As ligas metálicas utilizadas como biomateriais atualmente no Brasil possuem módulo de elasticidade (E) muito maior que o do osso humano (E = 10 a 30 GPa), como, por exemplo, aço (200 GPa), ligas Co-Cr (220 GPa) e Ti-6Al-4V (110 GPa), e, portanto, a busca por ligas com melhor biocompatibilidade mecânica e química é necessária. As ligas de Ti-β sob (CCC) apresentam boa biocompatibilidade mecânica (baixo módulo de elasticidade, E de 44 a 80 GPa) e química (melhor resistência à corrosão, baixa ou ausência de citotoxicade). No presente é proposto o desenvolvimento de ligas multicomponentes, equimássicas, de β-Ti estáveis de média e alta entropia dos sistemas Ti-33Nb-33Zr, Ti-25Nb-25Zr- 25Ta, Ti-20Nb-20Zr-20Ta-20Mo (%peso), além de ligas do sistema Ti-40Nb-xZr com altas frações de Zr e baseadas em parâmetros eletrônicos Bo e Md buscando um valor ótimo de módulo de elasticidade (entre 40 e 60 GPa). Para o sistema ternário Ti-Nb-Zr foi determinada a nova relação βTAP (ternary alloy parameter - parâmetro de Ligas β ternárias) e quanto maior o seu valor, menor módulo de elasticidade da liga. A liga Ti-40Nb-40Zr apresentou o menor módulo de elasticidade (E = 42 GPa) na condição laminada. A liga Ti-25Nb-25Zr-25Ta, apresentou melhores resultados nos testes biológicos (ensaio de adesão e viabilidade celular), e melhor combinação de baixo módulo (E = 70 GPa) e alta resistência mecânica, tornando possível conciliar essas propriedades em ligas β multicomponentes.Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)88882.332710/2019-0188887.746247/2022-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessLigas β multicomponentesLigas de média e alta entropiaMódulo de elasticidadeLigas β-Ti equimássicasBiomateriaisENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::METALURGIA FISICALigas beta Ti-Nb-Zr(-Ta-Mo) multiprincipais com baixo módulo de elasticidadeInvestigation of Ti-Nb-Zr(-Ta-Mo) multicomponent alloys with low elastic modulusinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis60060013dc14f5-a2ff-412c-b48e-56a4bda35ecareponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALRafael Formenton Macedo dos Santos - Tese .pdfRafael Formenton Macedo dos Santos - Tese .pdfTese de doutoradoapplication/pdf11842539https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5fb76d41-cb0b-4331-92c0-854415468054/download987b364b83c6dabaf3678d82b51e9f6fMD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1b457d9f-6c76-49a9-a19f-252ed483e554/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREADTEXTRafael Formenton Macedo dos Santos - Tese .pdf.txtRafael Formenton Macedo dos Santos - Tese .pdf.txtExtracted texttext/plain195769https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/6f046aec-ef22-4026-96d4-4c02a4beaffe/download3e15b54c47847cb27e2529a22580a70cMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILRafael Formenton Macedo dos Santos - Tese .pdf.jpgRafael Formenton Macedo dos Santos - Tese .pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg3332https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/acc2314a-80bf-4416-904e-aeb4fe27a244/downloadff5189421fb1585382ae8a357ad99058MD54falseAnonymousREAD20.500.14289/186252025-02-06 00:26:53.56http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/18625https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T03:26:53Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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